نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف

2 استاد،گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف

10.22041/ijbme.2013.13208

چکیده

ساختار مجاری هوایی دستگاه تنفسی انسان پیچیده و در عین حال کاملاً متغیر است. بسیاری از مواد درمانی که به منظور درمان بیمار‌ی‌‌های ریوی استفاده می‌شوند، بصورت ذرات ائروسل وارد مجاری هوایی ریه می‌شوند. چنین فرایند درمانی نیازمند حرکت و جذب ذرات در نواحی مشخصی از ریه است. در مطالعه حاضر، مدل شامل سه نسل اول از مجاری هوایی هدایتی دستگاه تنفسی انسان بر اساس اطلاعات مدل هورسفیلد، ساخته شده است. با استفاده از روش تولید شبکه ساختاریافته برای مدل‌‌های پیچیده، به منظور افزایش دقت و کاهش هزینه‌‌های محاسباتی، برای این مدل -که مدلی نامتقارن و پیچیده است- شبکه ساختاریافته تولید شد. جریان آرام و سه‌بعدی به ازای دبی lit/s0.18 و lit/s0.41 در ورودی مدل مطالعه شد. این محدوده دبی به منظور آرام ماندن جریان انتخاب شد که مربوط به حالت استراحت تا فعالیت سبک انسان است. الگوی سرعت یکنواخت در حالت پایا شرط مرزی ورودی مسأله است. توزیع ذرات بر اساس الگوی سرعت اولیه ورودی با تعداد ذرات 18000 عدد استفاده شده است. به منظور مطالعه حرکت و جذب ذرات از عدد بی بعد استوکس استفاده شد. مسأله برای رینولدزهای 800، 1201، 1486 و 1800 و در اعداد استوکس مختلف 0.025، 0.051، 0.076 و 0.102 حل شد. به منظور کاهش آثار شرط مرزی بالادست و پایین‌دست، مطالعه برای نسل دوم مجاری انجام شد. برای حل میدان جریان از نرم‌افزار فلوئنت و برای ردیابی ذرات از کد ردیاب نوشته شده، استفاده شد. در نهایت رابطه‌ای برای راندمان کلی جذب ذرات در نسل دوم مجاری بر اساس اعداد بی بعد رینولدز و استوکس به دست آمد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Computational Modeling of Micro-particle Deposition in the Second Generation of Bronchial tree (of Human Pulmonary System)

نویسندگان [English]

  • Hosein Ghasemi 1
  • Mohammad Saeid Saeidi 2
  • Bahar Firoozabadi 2

1 M.Sc, Mechanical Engineering Department, Faculty of Mechanicacal Engineering, Sharif University of Technology

2 professor, Mechanical Engineering Department, Faculty of Mechanicacal Engineering, Sharif University of Technology

چکیده [English]

Knowledge regarding particle deposition processes in the pulmonary system is important in aerosol therapy and inhalation toxicology applications. The present work describes a computational model of human lung airway consisting of the three-generation pathway from the trachea down to segmental bronchi. In order to more appropriately model human air passage, an asymmetric geometry (i.e. three generation airway) is extracted from the 1th to 3th branches of the Hoursfield model and on dealing with the complexities of simulations (e.g. computation time) structured mesh is developed which also leads to more accurate computations. The fully three-dimensional incompressible laminar Navier– Stokes equations and continuity equation have been solved using CFD home code on generated mesh. Computations are carried out in the Reynolds number range of 800–1800, corresponding to mouthair breathing rates ranging from 0.18 to 0.41 l/s, representative. The study leads to establishing relations for overall particle deposition efficiency in the second generation of bronchial tree as a function of two dimensionless groups of Reynolds and Stocks numbers. Furthermore, interpretation of correlations are enlightened the fact of that in the initial generations of bronchial trees, consideration of asymmetric geometry has a significant influence on the particle deposition pattern. The results of the paper are valuable in aerosol therapy and inhalation toxicology.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lung Airway
  • Horsfield model
  • CFD
  • Structured Mesh
  • particle deposition
  • Fluent

[1]     Weibel, E,R., ”Morphometry of human lung”, Berlin: SpringerVelag, New York , 1963.

[2]     Horsfield, K., Dart G., Olson D.E., ”Models of the human bronchial tree, J. Appl. Physio.,Vo1. 31, No.2, pp. 207-217, 1971. 

[3]     Raabe, O.G., Yeh, H.C., Schum, G.M., Phalen, R.F., “tracheobronchial geometry, i.e. human, dog, rat, hamster LF-53,lovelace Foundation for medical Education and Research, Albuquerque, NM,1976.

[4]     Ley, S., Mayer, D., Brook, B.S., Van Beek, E.J.R, Heussel, C.P., Rinck., “Radiological imaging as the basis for a simulation software of ventilation in the tracheo-bronchial tree, Eur. Radio., Vo1. 12,p.22181, 2002.

[5]     Comer, j.K., Kleinstreuer, C., Zhang, Z.,”Flow structures and particle deposition patterns in double-bifurcation airway models. Part I. Airflow fields, J. Fluid Mech, Vo1. 435, pp.25-54, 2001.

[6]     Zhang, Z., Kleinstreuer, C., “Transient air flow structure and particle transport in a sequentially branching lung airway model”, Phys. Fluids, Vo1. 14, No. 2,pp.862-880, 2002.

[7]     Zhang, Z., Kleinstreuer, C., Donohue, J.F., Kim, C.S., “Comparison of micro- and nano- size particle deposition in human upper airway model”, Aerosol Sci. Technol., Vo1. 36, pp. 211-233, 2005.

[8]     Nowak, N., Kakade, P.P, Annaparagada, A.V., “Computational fluid dynamic simulation of airflow and aerosol in human longs”, Ann. Biomedical Engrg., Vo1. 31, pp. 374-390. 2003.

[9]     Calay, R.K., Kurujareon, J., Holdo, A.E., “Numerical simulation of respiratory flow pattern within human lung”, Respiratory Physiology and Neurobiology, Vo1. 130, pp. 201-221, 2002.

[10] Ertbruggen, C.V., Hirsch, C., Paiva, M., “Anatomically based three-dimentional model of airways to simulate flow and particle transport using computational fluid dynamic, J. Appl. Physiol., Vo1. 98, pp. 970-980, 2005.   

[11] Cai, F.S., Yu, P.C.,” Inertial and interceptional deposition of spherical particles and fibers in a bifurcating airway. J. Aerosol Sci., Vol. 19, pp. 679-688, 1988.

[12] Zhou, Y., Cheng, Y.S,” particle deposition in first three generations of a human lung” , J. Aerosol Sci., Vol. 31, Suppl. L., pp. S140-S141, 2000.

[13] Li, Z., Kleinstreuer, C., Zhang, Z., “Simulation of airflow fields and microparticle deposition in realistic human lung airway models. Part II. Particle transport and deposition”, European J. of Mech. B/Fluids, Vol. 26, pp. 650-668, 2007.