شبيه‌سازي عددي جريان هواي آشفته در مجاري فوقاني دستگاه تنفسي انسان

Numerical simulation of turbulent airflow in a human upper respiratory system

بيني، حفره بيني و سينوس‌ها بخش‌هايي از سيستم تنفسي فوقاني مي‌باشند. بيني انجام بسياري از عملكردهاي مهم فيزيولوژيكي، از جمله حرارت، رطوبت و فيلتر نمودن هوا و استنشاق بوي را بر عهده دارد. در گذشته، شبيه‌سازي جريان هواي آشفته در مجراي بيني، سينوس، گلو و ناي انجام شده است. از سال 1990، با توسعه پرتونگاري كامپيوتري و ديناميك سيالات محاسباتي، مطالعات عددي بر روي جريان گاز در حفره واقعي بيني انجام شده است. همچنين، ديناميك سيالات محاسباتي براي تحقيق بر روي خواص جريان هوا در نرخ آرام درون مجراي بيني اعمال شده و پيش‌بيني آن منوط به ذات و هندسه پيچيده و غير‌پاياي جريان مي‌باشد. بسياري از مطالعات پيشگام در اين زمينه تنها به بررسي حفره بيني بدون سينوس‌ها به خصوص سينوس فك بالا و يا به مطالعه جريان آرام در مجاري تنفسي پرداخته‌اند. بنابراين اين تحقيق سعي دارد به مطالعه بر روي جريان هوا در تمام فضاي سر انسان كه هواي تنفسي در آن جريان مي يابد، بپردازد. براي اين منظور مطالعه براساس پرتونگاري كامپيوتري از سر، گردن و قفسه سينه يك زن 26 ساله بدون مشكل در سيستم تنفسي وي، در بيمارستان شهيد چمران شيراز انجام پذيرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه در 2 تا 3 سانتيمتر ابتدايي جريان افت به مراتب كمتري (حدود 50 درصد) نسبت به ساير قسمت‌ها دارد و اكثر جريان در نزديك ناحيه ديواره بين پره بيني مانده و فقط ميزان كمي به ناحيه بويايي و مجراي گوش بيروني گسترش مي‌يابد.

The nose and nasal cavity and sinuses are parts of the upper respiratory system and study of the air passage into the upper component of human airway is important to improve or cure deficiency in human respiration cycle. The nose performs many important physiological functions, including heating, humidifying and filtering inspired air, as well as sampling air to smell. Previously, numerical modeling of turbulent flow in nasal cavity, sinus, pharynx and larynx was rarely employed Since the 1990s, with the development of computed tomography technology and computational fluid dynamics, a number of numerical studies on gas and particle flows in realistic nasal cavities have been conducted and provide precise data for deeper insight of the nature of nasal airflows. Also, most of the pioneering studies in this field have been developed to investigate only the nasal cavity without sinuses, especially maxillary sinus So, this research attempts to study details of turbulent airflow through all spaces in human head that air can flow through. For this purpose, this study is based on computed tomography scans image of a 26-year old female head, neck and chest without problems in her respiratory system from Shahid Chamran hospital, Shiraz, Iran. It is found that, nasal resistance contributed up to half of the total airway resistance within the first 2-3 cm of the airway and the majority of the flow in this region remained close to the septum wall and only a small proportion reached the olfactory region.