عنوان پایان‌نامه
بررسی آئرودینامیکی جریان هوا همراه با ذرات معلق در ریه انسان در شرایط گرانش ناچیز
- رشته تحصیلی
- مهندسی هوافضا - آئرودینامیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 74898;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 74898
- تاریخ دفاع
- ۱۹ بهمن ۱۳۹۴
- دانشجو
- محمد احمدی الاشتی
- استاد راهنما
- بهمن وحیدی
- چکیده
- چکیده بدن انسان از راه¬های زیادی با محیط اطراف خود در فعل و انفعال است. ریه از طریق تنفس با محیط پیرامون خود در ارتباط است. سطح بسیار وسیع ریه با حصارهای هوا-خونی خود در معرض ذرات معلق در هوای ورودی به آن می¬باشد. در این شرایط چنانچه این ذرات آلوده باشند، اثر متقابل ذرات-ریه بر روی هم می¬تواند موجب ایجاد خطرات و صدمات جدی بر روی سلامتی انسان بگذارند؛ از طرفی این تهدید و چالش می¬تواند تبدیل به فرصت شود چنانچه از این واکنشات در راستای دارورسانی به بدن انسان استفاده شود. در هر دو حالت تخمینی دقیق از مقدار و محل نشست ذرات در مجاری تنفسی اساس درک پیامدهای بیولوژیکی برای بدن انسان می¬باشد؛ از این رو اساس فیزیک حرکت ذرات برای بررسی این مبحث موضوع اصلی این پژوهش است. گردآوری داده از انتقال ذرات در ریه انسان از طریق تجربی همیشه دشوار بوده است. ولی دینامیک سیالات-ذرات محاسباتی این امکان را فراهم کرده است که داده¬های انتقال ذرات در مدل¬های واقعی را داشته باشیم. این پژوهش مروری کلی بر مطالعات اساسی در ناحیه¬ی آکینار سیستم تنفسی را نخست ارائه می¬کند و در ادامه ساده¬سازی¬های مورد قبول فیزیکی بر روی مدل مورد استفاده در مطالعات پیشین انجام گردید. سپس اقدام به مدل¬سازی جریان سیال-ذره در نسل 18ام از مجاری تنفسی نمودیم؛ در این مجاری جریان آرام، کاملا توسعه یافته و با عدد رینولدز 1 می¬باشد. نشست ذرات آیروسول در ریه انسان اساسا از طریق ترکیب برخورد در اثر اینرسی، رسوب در اثر گرانش و انتشار روی می¬دهد. برای ذرات با قطر آیرودینامیکی 5/0تا 5 میکرون و در حالت انبساط ریه (در حالت دم) مکانیزم اصلی نشست ذرات در مجاری پایین دست رسوب، که عامل آن نیروی گرانش است، و انتقال همرفتی، که در اثر حرکت دیواره¬ها است، می¬باشد. مطالعات زیادی بر روی نشست ذرات بدلیل اهمیت آن در مجاری تنفسی صورت گرفته است. و در مطالعه¬ی پیش روی میزان نشست ذرات در مجاری تنفسی برای دو حالت گرانش ناچیز و نرمال با میزان دبی ورودی 1 میلی¬گرم بر ثانیه ذرات مورد بررسی قرار گرفت. در این پژوهش مشخص گردید که میزان نشست ذرات در مجاری پایین¬دست سیستم تنفسی بدلیل آن¬که ذرات با قطر آیرودینامیکی کمتر از 5 میکرون توانایی نفوذ به آن عمق از مجاری را دارند با ناچیز کردن اثر نیروی گرانش تا حد بسیاری زیادی کم می¬شود. ذرات با قطر 5 میکرون هم تحت تاثیر برخورد اینرسی، که این مکانیزم بیشتر در مجاری با قطر بزرگ و متوسط روی می¬دهد، و هم در اثر رسوب، که بیشتر در مجاری پایین دست عمل می¬کند، دچار نشست می¬شوند. در طرف مقابل برای ذرات حدود 1 میکرون و کمتر از آن تحقیقات نشان داده است که میزان نشست در گرانش ناچیز بیشتر از مقدار نرمال آن است که دلیل این امر تاثیر سیستم پاکسازی موکوسیلاری می¬باشد. بر اساس نتایج حاصله و اینکه نشست ذرات با این اندازه سبب بیماری¬هایی نظیر سرطان ریه ناشی از پنبه¬نسوز در انسان می¬شود، توجه به پیامدها و پیشگیری لازم برای جلوگیری از خطرات احتمالی برای افراد تحت معرض انجام گیرد. کلمات کلیدی: دینامیک سیالات-ذرات محاسباتی، نشست ذرات در ناحیه آکینار، مجاری آلوئولی با دیواره¬ی متحرک ، نواحی پایین¬دست سیستم تنفسی، گرانش ناچیز
- Abstract
- The human body have interaction with it’s surrounding in many different ways. The lungs interact with the external environment through breathing. The very large surface area of the lung with its thin air-blood barrier is exposed to particles suspended in the inhaled air. Whereas the particle-lung interaction may cause detrimental effects on health if the inhaled pollutant aerosols are toxic, this interaction can be beneficial for disease treatment if the inhaled particles are therapeutic aerosolized drug. In either case, an accurate estimation of dose and sites of deposition in the respiratory tract is fundamental to understanding subsequent biological responses; therfore the basic physics of particle motion is the subjects of this dissertion. Obtaining in vivo data of particle transport in the human lung is often dif?cult. But computational ?uid dynamics (CFD) can provide detailed information on aerosol transport in realistic airway geometries. The present work provides a review of the key CFD studies of aerosol transport in the acinar region of the human lung. After that, some acceptable physical simpilifications on the selected model of previous studies were applied. Then the fluid-particle laminar flow with different aerodynamics diameter of aerosols in 18th generation of the respiratory system was simulated. The flow is fully developed in there with Reynlods number equal to 1. Aerosols deposition in human lung is mainly occure due to inertial impaction, gravitational sedimentation, and diffusion. For particles with size of 0.5 to 5 micron and in inhalation of lung, the main mechanisms of particles deposition in distal partl of human respiratory system is sedimentation, which the gravity is the main factor, as well as convective transfer because of moving wall condition in there. There are many studies in deposition of aerosols in acinar of human lung because of it’s importance for human health. In the present study, deposition of particles in distal part of
