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CFD Study of the Flow Field and Particle Dispersion and Deposition in the Upper Human Respiratory System

Cui, Xinguang

German Title: CFD Berechnung des Strömungsfelds und der Partikel-Dispersion und -Deposition in den oberen menschlichen Atemwegen

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Abstract

Das Einatmen von Partikeln in den menschlichen Körper hat zwei verschiedene Aspekte im Hinblick auf die Gesundheit des Menschen. Einerseits existieren schädliche Partikel wie beispielsweise Feinstaub in der Umwelt, der nach Eintreten in den menschlichen Körper Krankheiten wie Herzerkrankungen und Erkrankungen der Atemwege auslösen kann, und der sogar zum Tod führen kann. Hier sind insbesondere Partikel, die kleiner als 2,5 µm sind, relevant. Andererseits ist es in der medizinischen Therapie einiger Atemwegerkrankungen wünschenswert, gezielt Partikel den Atemwegen zuzuführen. Die medikamentöse Aerosol-Therapie, bei der das Medikament durch den nasalen oder oralen Atemweg in die Lunge oder einen anderen Ort des Atemtrakts gebracht wird, wird gern verwendet, um Krankheiten wie z.B. Asthma oder chronisch obstruktive Lungenerkrankungen zu behandeln. Diese Therapie hat den Vorteil der kleinen Dosierung, der minimalen systemischen Nebenwirkungen und der schnellen Wirkung. Das Medikament soll hier tief in die Lunge, in der die Krankheit auftritt, eindringen. Die typische Größe dieser Partikel liegt im Bereich von 1 bis 5 µm. Fokus ist die gezielte Steuerung des Medikaments in spezielle Regionen wie beispielsweise zu einer Tumorposition, sodass Nebenwirkungen durch Ablagerung in anderen Regionen vermieden werden. Ein verbessertes Verständnis des Gesamtprozesses beinhaltet die Kenntnis der charakteristischen Luftströmung und des Partikeltransports sowie deren gegenseitige Beeinflussung. In der vorliegenden Arbeit, in der die Luftströmung sowie die Partikelverteilung und -ablagerung in den menschlichen oberen Atemwegen untersucht werden, werden vier verschiedene Geometrien verwendet: die verengte Luftröhre, das auf einem Gussstück basierende Mund-Rachen-Modell, das auf Computertomographie (CT) basierende Mund-Rachen-Modell und das auf CT-Skans basierende Nasenhöhlen-Modell. Die Software NeuRa2 wird zur Generierung des numerischen Oberflächengitters verwendet und ANSYS ICEM CFD-11.0, um Volumengitter zu erzeugen. Ein-Weg- und Zwei-Wege-Kopplung zwischen der Gasphase und den Partikeln werden in der Arbeit in Abhängigkeit verschiedener Partikelvolumenanteile angewendet. Dreidimensionale inkompressible Navier-Stokes (N-S) Gleichungen werden zur Beschreibung der Luftströmung verwendet. Large Eddy Simulation (LES) wird zur Modellierung der turbulenten Strömung herangezogen, und das Smagorinsky Feinskalen-Modell sowie das dynamische Smagorinsky Modell dienen der Beschreibung der kleinen turbulenten Skalen. Unter der Annahme eines großen Partikel-Luft Dichteverhältnisses, der Vernachlässigbarkeit der Partikelrotation und der Kollision zwischen den Partikeln sowie der Annahme, dass die Trägheitskraft die Partikelbewegung dominiert, werde Lagrange-Gleichungen herangezogen, um die Bewegung der Partikel zu modellieren. Im Falle von Partikeln, die kleiner als ein Mikrometer sind, wird die Brownsche Kraft zusätzlich berücksichtigt. Zur Lösung der Gleichungen wird die Software-Plattform OpenFOAM 1.5 benutzt, für die neue Solver entwickelt werden, die die Luftströmung mit LES und die Teilchenbewegung mit Hilfe einer Lagrange-Formulierung lösen können. Abhängig von der Partikelbeladung wird Ein-Weg- oder Zwei-Wege-Kopplung mit oder ohne Berücksichtigung des Einflusses des Partikelimpulses auf die Gasphase verwendet. Zunächst wird die Luftgeschwindigkeit an der Mittellinie und in unterschiedlichen Querschnitten stromabwärts der Glottis in der verengten Luftröhre mit numerischen Ergebnissen und experimentellen Daten aus der Literatur verglichen, hier wird ein Modell der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) bei niedriger Reynolds-Zahl, das k-omega; Modell, verwendet. Die hier verwendete Methode verbessert die vorliegenden Literaturergebnisse, sodass sie die Basis für weitere Berechnungen in den verbleibenden Geometrien bildet. Die Luftströmung wird im Gussstück-basierten Mund-Rachen-Modell für drei verschiedene Inhalationsgeschwindigkeiten simuliert. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass das Geschwindigkeitsfeld der instationären Luftströmung sehr stark vom mittleren Geschwindigkeitsfeld abweicht, dies gilt insbesondere für das Auftreten von Wirbeln. Die numerische Simulation zeigt, dass die Partikelablagerung von der Partikelgröße, ihrer Ausgangsposition, der Inhalationsgeschwindigkeit sowie von der Geometrie abhängt. Turbulenz und Existenz von Rezirkulationszonen haben ebenfalls großen Einfluss auf den Partikeltransport. Eine polydisperse Partikelverteilung, die aus Messungen an einem Trockenpulver-Inhalator zur Verfügung steht, wird ebenfalls zur Simulation herangezogen. In diesem Fall wird Zwei-Wege-Kopplung verwendet. Polydisperse Partikelablagerung zeigt im Vergleich zur monodispersen Partikelablagerung stark unterschiedliche Charakteristika. Deshalb ist es notwendig, polydisperse Partikelverteilung und Zwei-Wege-Kopplung zu verwenden, wenn die reale medikamentöse Dosis eines Hubs berücksichtigt wird, die bei der klinischen Behandlung Anwendung findet. Um das Strömungsfeld bei einer realistischeren zeitabhängigen Inhalation zu untersuchen, wird eine numerische Simulation für das Gussstück-basierte Mund-Rachen-Modell unter den gleichen Bedingungen durchgeführt. Die Untersuchung zeigt, dass das Strömungsfeld signifikant verschieden ist in der beschleunigenden und der verlangsamenden Phase der Inhalation: In der Beschleunigungsphase ist die Luftströmung laminar während sie in der verlangsamenden Phase eher turbulent ist. Zur Untersuchung des Einflusses geometrischer Eigenschaften auf die Partikelablagerung werden numerische Simulationen für das CT-basierte Mund-Rachen-Modell durchgeführt. Im Ergebnis ist das Strömungsfeld im CT-basierten Mund-Rachen-Modell sehr verschieden von dem im Gussstück-basierten Mund-Rachen-Modell. Obwohl das Geschwindigkeitsfeld sowohl im mittleren als auch im zeitabhängigen Fall ähnlich ist, hat das Strömungsfeld ein sehr kompliziertes Wirbelfeld mit hoher räumlicher und zeitlicher Dynamik. Partikel der Größe 2 µm können den Pharynx passieren, sich in der Luftröhre ablagern oder weiter in die Lungenregion vordringen. Um die Eigenschaften des Geschwindigkeitsfelds in der Nasenhöhle zu untersuchen, wurde ein geometrisches Modell der Nasenhöhle aus CT-Skans konstruiert. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass die Luft durch die Hauptluft-Passage der Nasenhöhle fließt und nur wenig Luft die Spitzen der Nasengänge und der olfaktorischen Region erreicht.

Translation of abstract (English)

Air taking particles into the human body through breathing has two ways of affecting human health. On one hand, there are significant toxic particles in the environment. When they enter into the human body, they may cause different kinds of diseases such as heart disease and respiratory diseases; even death can be caused, in particular by the particles smaller than 2.5 µm. On other hand, particle deposition in the human respiratory system also has positive effects on human health, with controlled particles inhaled into the human body. Aerosol drug therapy, which delivers the drug mainly through nasal or oral airway to the lung or some other location of the respiratory tract, has become a popular way to treat different diseases such as asthma and chronic obstructive pulmonary disease, due to the advantage of smaller dosages, minimal systemic adverse effects and rapid response. In this case, it is desired that the drug penetrates deep into the lung, that is where the disease occurs. The typical size of these particles ranges from 1 to 5 µm. It is expected that such drugs can be controlled to reach special locations such as the position of tumor so that the drug is efficiently positioned and side effects are minimized. An improved understanding of the process includes the knowledge of properties of the airflow field and particle deposition, and how the gas field influences particle transport. In the present work, which studies the airflow field and particle dispersion and deposition in the human upper respiratory system, four different geometries have been adopted including the constricted tube, the mouth-throat based on cast, the mouth-throat based on computed tomography (CT) scans and the nasal cavity based on CT scans. NeuRa2 is used to build the surface grid, and Ansys ICEM-CFD 11.0 is used to generate volume grids. One-way and two-way coupling have been used in the present work considering different particle volume fraction. Three-dimensional incompressible Navier-Stokes (N-S) equations are used to depict the airflow field. Large eddy simulation (LES) is used to treat turbulence, and the Smagorinsky sub-grid scale (SGS) model as well as the dynamical Smagorinksy sub-grid model are adopted. Assuming a large particle-to-air density ratio, negligible particle rotation, no inter-particle collision, and drag force as the dominant point force, Lagrangian equations are used to describe particle motion. In the case of sub-micron particles, the Brownian force is also adopted. To solve these equations, the software platform of OpenFOAM 1.5 is used, and new solvers, which can solve the airflow field with LES and particle motion using a Lagrangian formulation, are reconstructed. Depending on the volume fraction, one way or two-way coupling is adopted without or with considering the particle momentum to the gas phase. First, the velocity at the centerline and velocity profiles at different cross sections downstream the glottis in the constricted tube are compared with numerical results and experimental data, in particular with Reynolds Averaged Navier-Stokes equations (RANS)/low Reynolds number (LRN) k-omega; model. It is demonstrated that the present methodology can predict the laminar-transitional-turbulent airflow in the constricted tube and improve the prediction of transitional airflow, which sets the basis for further studies of the airflow field in the cast-based mouth throat model, CT-based mouth-throat and CT-based nasal cavity. The airflow fields at three different inspiration flow rates in the cast-based mouth-throat are simulated for the steady inspiration airflow rate. The numerical results show that the unsteady airflow field is quite different from the mean airflow field, in particular the vortices distribution. Mono-disperse particles are tracked in the cast-based mouth throat at first. Numerical simulation shows that particle deposition is related to the particle size, particle release position and inspiration airflow rate as well as geometrical properties. The turbulence and recirculation zone has great influence on the particle transport. In addition, the poly-disperse particles, which are measured from dry power inhaler (DPI), are simulated. Two-way coupling is adopted when the injection drug dose from the inhaler, which is closer to reality, is adopted, otherwise one-way coupling is used. Poly-disperse particle deposition shows different properties compared to the mono-disperse particle. Thus, it is necessary to adopt poly-disperse particle distribution and two-way coupling when the injection dose used in the clinical treatment is adopted. To study the airflow field under an unsteady inspiration flow rate, a numerical simulation is conducted in the cast-based mouth-throat considering the inspiration flow phase and neglecting the expiration phase. The investigation shows that the airflow field has a significant correlation with the inspiration flow rate and the stage that the inspiration locates at the accelerating phase or decelerating phase. For the same inspiration flow rate, at the accelerating phase, the airflow displays closer to the laminar. In contrast, the airflow at the decelerating phase displays closer to turbulence. To analyze the influence of geometrical properties on particle deposition, numerical simulations are implemented for the airflow field and particle motion in the CT-based mouth-throat. It is found that the airflow field in the CT-based mouth throat is very different from the airflow field in the cast-based mouth-throat. For instance, the maximum velocity appears at the tip of the soft palate and no laryngeal jet is observed in the CT-based mouth-throat. Although the velocity contour is similar in both mean and instant airflow fields, the airflow field has a very complex vortex field with high spacial and temporal dynamics. 2 µm particles can go through the pharynx, deposit in the trachea, or go further into the pulmonary region. To investigate the properties of airflow in the nasal cavity, a geometrical model of nasal cavity based on CT scans has been constructed and the airflow field is simulated. The numerical results show that the air pass through the nasal cavity mainly via the main nasal passage and little air can reach the tips of meatuses and olfactory region.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Gutheil, Prof. Dr. Eva
Date of thesis defense: 15. June 2012
Date Deposited: 03. Jul 2012 15:25
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords: human upper respiratory system , large eddy simulation , airflow , particle dispersion and deposition
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