عنوان پایان‌نامه
بررسی آئرودینامیکی جریان هوا همراه با ذرات معلق در مجاری تنفسی
- رشته تحصیلی
- مهندسی هوافضا - آئرودینامیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 298323;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 75278;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 298323;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 75278
- تاریخ دفاع
- ۱۸ مهر ۱۳۹۴
- دانشجو
- یوسف بیناباجی
- استاد راهنما
- بهمن وحیدی
- چکیده
- علم دینامیک سیالات محاسباتی، به‌طور فزاینده‌ای در علوم مختلف ازجمله پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و تاکنون روش‌های حل متنوعی مبتنی بر این علم پیاده‌سازی شده‌اند. به علت حساس بودن بدن انسان، انجام مستقیم آزمایش‌های مختلف روی آن غیرممکن است. به همین دلیل، شبیه‌سازی‌های عددی کمک فراوانی به علم پزشکی خواهد کرد. یکی از با اهمیت‌ترین مسائل در استفاده از علم دینامیک سیالات محاسباتی در سیستم‌های بیولوژیکی، مدل‌سازی سیستم تنفسی است. پیش‌بینی انواع بیماری‌ها مانند آسم و سرطان، تشخیص تأثیرات نابهنجاری‌های ریوی، پیش‌بینی نتیجه یک عمل جراحی و تأثیرات آن ازجمله مهم‌ترین کاربردهای CFD در علم پزشکی است. به دنبال پیش‌بینی برخی بیماری‌ها و نقطه اثر آنها در مجاری و یا پیش‌بینی دوز و نقطه اثر داروهای تنفسی جهت کنترل یا درمان این بیماری‌ها، بحث رسوب آئروسل‌های دارویی و ذرات بیماری‌زا مطرح می‌شود. بنابراین شرایط حاکم بر نقطه اثر و مقادیر رسوب این مواد در مجاری و عوامل مؤثر بر این دو از اهمیت بالایی برخوردار است. ازجمله عوامل مؤثر بر رسوب ذرات در مجاری تنفسی می‌توان به الگوی تنفس و جریان در مجاری، اندازه و چگالی ذرات، هندسه مجاری و نیروی گرانش وارد بر این ذرات و .... اشاره کرد. در این مطالعه با استفاده از یک هندسه ساده‌شده از چهار نسل از مجاری تنفسی به بررسی اصلاح و تغییر الگوی جریان در مجاری تنفسی با اعمال شروط مرزی متفاوت در خروجی و تأثیر این الگوهای مختلف جریان بر روی رسوب ذرات آهن پرداخته شده است. با حفظ برخی از این الگوها، به‌طور همزمان تأثیر جهت اعمال و مقدار نیروی گرانش (از شرایط گرانش ناچیز تا حالت معمول روی سطح زمین) بر این ذرات، بررسی شده است. از دو سرعت ورودی جریان 2 و 4 متر بر ثانیه به‌منظور تغییر در ماهیت جریان سیال از آرام به آشفته استفاده شده است و 2 اندازه ذره 4 و 8 میکرونی برای ذرات آهن به‌عنوان پارامترهای دیگر مؤثر در رسوب موردمطالعه قرار گرفته است. برای مدل کردن جریان 4 متر بر ثانیه که جریان حالتی آشفته به خود می‌گیرد، مدل K-? SST LRN به‌منظور تشخیص ویژگی‌های جریان در بازه‌ای نزدیک به حالت گذار مورداستفاده قرار گرفته است. به‌عنوان نتیجه حاصل از این مطالعه، افزایش رسوب ذرات با افزایش مقدار نیروی گرانش و تأثیر تغییر جهت این نیرو از حالت هم‌راستا با جریان ورودی (جهت X)
- Abstract
- Abstract: Computational Fluid Dynamics is increasingly used in different fields of study including Medical science and a veriaty of CFD-based solution techniques has been implemented. Because of the sensitivity of the human body, performing various exams directly on the body is generally impossible. Therefore, CFD simulations will contribute greatly to the medical fields. Modelling of the human respiratory system is one of the most important applications of the CFD methods in biological systems. Other applications include prediction of diseases such as asthma and cancer, effects of pulmonary abnormalities, the outcome of a surgical operation and its effects. The deposition of pharmaceutical aerosols and pathogenic particles are taken into account when predicting certain pulmonary disorders and their impact on respiratory tracts or determining the dose of respiratory drugs and their effective points in the airways in order to control and manage the diseases. Therefore, the factors influencing the deposition values in the respiratory tract and their effective points are of great significance. Among the factors contributing to the particles deposition in the respiratory tract are the breathing and flow pattern, particles size and density, airways geometry, the gravitational force exerted on the particles and etc. In this study, using a simplified geometry of four generations of the respiratory airways, modification of the flow pattern in the respiratory tract has been investigated by applying different boundary conditions on the output and the effects of the various flow patterns on the deposition of the iron particles has been studied. Keeping some of these patterns, the impact of exerting gravitational forces with different directions and values (from the microgravity to normal condition on the earth) on the particles has been examined. The inflow with velocities of 2 and 4m/s was used in order to change the nature of the flow from laminar to turbulent. Two particle sizes of 4 and 8 microns for iron particles as a crucial factor in the deposition were studied. To model the flow with the velocity of 4m/s, which is considered as a turbulent flow, the K-? SST LRN model was used in order to determine the flow characteristics at a range close to the transition condition. The results showed that the deposition of particles increased with an increase in the gravitational force and the effect of changing the direction of the gravitational force from the X direction (aligned with the direction of the flow) to the Y direction (perpendicular to the flow) is shown to be a significant factor in a further increase. The modified flow pattern in the respiratory airways which was free of any reverse and secondary flow, has reduced the deposition values and resulted in an opposite effect when increasing the size of iron particles. Keywords: Flow Modelling in the respiratory tract, Aerosol deposion in the lungs, Computational Fluid Dynamics, Gravity, K-? SST LRN model.
