Micro-particles Transport and Deposition in Realistic Geometry of Human upper Airways

هندسه واقعي مجاري تنفسي بالايي متعلق به يك مرد بالغ از دهان تا انتهاي ناي در محل دو شاخه شدن ناي در شش با استفاده از تصاوير CT-Scan بازسازي شده است. جريان متلاطم هوا در مجاري تنفسي شبيه سازي شده است. براي اينكه مشخصات غير ايزوتروپيك هواي دميده شده به مجاري تنفسي در شبيه سازي لحاظ شود از مدل تنش رينولدز استفاده شده است. سه دبي حجمي هواي دميده شده مورد بررسي قرار گرفته است كه شامل l/min 15، l/min 30 و l/min 60 است و به ترتيب نماينده سه وضعيت استراحت، فعاليت روزمره و فعاليت ورزشي هستند. جابجايي و نشست ذرات در مدل واقعي مجاري تنفسي مورد بررسي قرار گرفته است. جابجايي ذرات توسط مدل لاگرانژي مورد مطالعه قرار گرفته است. از آنجا كه نسبت جرمي ذرات به هواي دميده شده بسيار اندك است از مدل يكطرفه، كه در آن تنها تاثير جريان هوا بر ذرات در نظر گرفته مي شود و از تاثير ذرات بر جريان چشم پوشي مي شود، استفاده شده است. مقايسه درصد نشست ذرات حاصل از شبيه سازي عددي با داده هاي آزمايشي موجود نشان مي دهد كه پيش بيني عددي سازگار با نتايج آزمايشگاهي است. به علاوه، درصد نشست ذرات در مدل واقعي مجاري تنفسي با شبيه سازي هاي مشابه ولي در مدلهاي ساده سازي شده از هندسه مجاري تنفسي با يكديگر مقايسه شده اند. به خصوص تفاوت شايان توجهي در درصد نشست موضعي ذرات در انتهاي دهان و ابتداي ناي بين مدل واقعي و ساده سازي شده از مجاري تنفسي ديده مي شود كه اهميت شبيه سازي انتقال ذرات در مدل واقعي از هندسه مجاري تنفسي را نشان مي دهد.

The realistic geometry of human upper airways from the mouth to the end of the trachea was reconstructed by implementing the CT-Scan images of a male subject. A computational simulation was developed for analyzing the airflow in the airways. To capture the anisotropy of the inhaled airflow in the upper airways, the Reynolds stress transport turbulence model was used in these simulations. The inhalation rates of 15, 30 and 60 l/min which represented the resting, normal and active conditions of human, respectively were underlined. The transport and deposition of micro particles in the realistic model of human upper airways were studied. The transport of micro particles was analyzed using the Lagrangian particle trajectory approach. Since the mass fraction of inhaled particles was very small, one-way coupling assumption was used. That is, the airflow carries the particles, but particles do not affect the airflow condition. The predicted deposition fractions of the particles of different sizes in the upper airways were compared with the available experimental data to find good agreements. Comparison of the results of the deposition fraction obtained from the realistic model with the earlier simulations of the idealized geometry of the airways showed certain differences especially in regional depositions. Therefore, it was concluded that the realistic geometry must be used for more accurate evaluation of micro particle deposition rates especially for local and regional depositions.