文摘

数值结果的准确性密切相关网格密度及其分布。网中起着非常重要的作用,数值模拟的结果。许多鼻气流研究采用非结构化网格和最近混合网格方案已经利用考虑复杂的解剖结构。本研究的目的是比较混合网格和非结构化网格研究的结果对鼻腔内的流动参数的影响。鼻腔三维模型是基于计算层析图像重建健康的马来西亚成人的鼻子。稳定气流数值求解n - s方程研究吸入鼻腔流。使用非结构化网格计算获得的压降是大约22.6 Pa的流量20 L / min,而混合网格导致17.8 Pa同样的流量。获得的最大速度在鼻阀使用非结构化网格是4.18 m / s,混合网格大约是4.76 m / s。混合网格网格收敛指数(GCI)为报道低于非结构化网格。非结构化网格和混合网格之间的显著差异是决定突显出鼻气流研究混合网格的有效性。

1。介绍

人类鼻腔的解剖异常和疾病的发病率进一步复杂化。很多研究人员利用计算流体动力学(CFD)研究生理和鼻腔内的流体流动特性(1- - - - - -5]。最近使用药物输送的CFD设计过程讨论了利用CFD的重要性在鼻腔给药腔(6]。然而,CFD研究的准确性主要取决于网格的质量和数量分布。一个好的网格必须能够解决速度矢量和有效地捕获鼻腔内的流体性质在所有地区。结构化网格,尽管其有效性在解决流动特性,是非常困难的发展在一个复杂的领域如鼻子。只采用结构化网格模型人类气管支气管树像上部和bronchii [7,8]。最近,Vinchurkar和最长的(9)被认为是各种常见网风格对网格收敛性的影响,速度场和粒子沉积在分叉呼吸模式。网格被认为是包括结构化多次拉丝六面体的风格,非结构化四面体网格,flow-adaptive四面体设计,四面体组成的混合风格和棱镜元素。然而,工作仅限于一个小分叉部分并没有解决整个上呼吸道域。很容易在一个简单的分支开发结构化网格域。但当涉及到复杂的鼻腔,这个过程是非常乏味和高昂的时间和成本。早期作品的Horschler et al。10)和Zamankhan et al。11)使用一个简化的鼻域,因此呈现结构化网格的建设是可能的。最长的一个有趣的工作和Vinchurkar (2007) (12),几种网格类型进行比较。六面体网格被观察到网格收敛指数(GCI)值,是一个数量级低于所有决议非结构化四面体网格值考虑。这不能期望从实际CT扫描获得的现实的鼻腔。因此,我们发现大部分的研究者使用非结构化四面体网格方案开发CFD模型。这样一个网格的精度是不确定的,因此其结果不能被用来量化流生理的理解。Zubair et al。13)强调了使用鼻气流混合网格研究的必要性。最近,混合网格也被引入了非结构化相结合低阶内部元素和高阶金字塔,棱镜,表面或六面体的元素12]。通常他们有更高的分辨率的优势在靠近壁面流场。李等人。14)据报道使用集群表面附近的棱镜网来提高模型的准确性。但是工作不讨论这样一个网的有效性在纯粹的非结构化网格的复杂生物医学领域。一些流行的网格生成软件Gridgen(美国点态Inc .)和配备(美国流利Inc .)提供的特性开发混合网格。

混合网格墙边界附近有能力解决,可以用来开发网接近 。在这里 指的是无量纲距离wall-bounded流。重要的是湍流模型来确定适当的域壁附近的细胞的大小。混合网格有效解决湍流问题,特别适合使用LES模型。在最近的研究中,数值模拟进行了验证混合网格的有用性/非结构化四面体网格。一个三维(3 d)重建鼻腔模型计算层析图像(CT)健康马来西亚的女性。不同的网格类型的影响流体流动特性是评估。

2。方法

这项研究是基于正常的鼻气道的解剖模型从CT扫描获得马来西亚从马来西亚理科大学,医学校区医院。一片一片扫描图像分割使用模拟与一个合适的阈值(实现,安阿伯市,美国)。鼻腔的三维多段线数据处理与非结构化四面体元素使用CATIA和网状策略2.3.16(黎巴嫩流利Inc .)。鼻腔发达的3 d模型和10横截平面,如图1。这截平面代表不同的位置跨越整个鼻腔长度,利用提取流内部的流动物理域的信息。


图1
十的位置截面沿轴向长度。

这两种不同类型的网格如图2。图2(一个)代表了网格显示在一个位置为非结构化网格类型3.5厘米从鼻孔。和图2 (b)在同一位置显示了混合网格组成的棱镜元素叠加在墙上边界。非结构化四面体网格与1653469个元素由网格独立性测试(参考图3(一个))。这是进一步调整使用 适应技术导致网格计数2522274个元素。最好的 值,可以获得这个网格是约1.31。同时,混合网格与1691940个元素组成的6层的棱镜的组合细胞近壁边界附近和剩余的四面体元素流网格独立性研究的领域获得了(见图3 (b))。的初始厚度3.8×10−5m是棱镜保持细胞获得 。最严重的细胞有偏度最大值约为0.86。

(一)
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(b)
(b)
图2
横截面的鼻腔的距离4.5厘米从鼻孔:(a)非结构化网格和(b)混合网格。
(一)
(一)
(b)
(b)
图3
非结构化网格和网格独立性研究:(a) (b)棱镜网。

无量纲墙的距离 是由 在哪里 是皮肤摩擦速度, 是初始高度墙上, 空气的运动粘度。

解决管理质量和动量守恒方程在每个网格的风格,CFD软件包流利6.3.26(美国流利Inc .、黎巴嫩、PA)已被使用。这个商业软件解决方案提供了一个非结构化control-volume-based方法对非结构化四面体和混合网格类型。气流被假定为层流流率15 L / min,超出15 L / min流被认为是动荡的,预测的温家宝et al ., 2008 (1,西格尔et al ., 20083]。对于湍流流场,我们使用了 - - - - - - 湍流模型,two-equation湍流模型,适用性的探讨了温家宝et al ., 20081],Mylavarapu et al。4]。流动边界条件如下:(1)鼻墙是刚性的,(2)粘液的影响极小,在气道壁(3)无滑动条件,和(4)发达没有鼻窦鼻腔,这是符合一些更早的研究而忽视了窦主要流的影响。质量流量入口边界被定义在鼻孔进口和出口流出边界条件被选中。

2.1。流动控制方程

在目前的研究中稳定的运行方程湍流不可压缩流体常使用属性。控制流场方程的连续性和雷诺平均n - s方程,给出的 在哪里 是主要的应变率和计算 和 未知的湍流雷诺应力张量和吗 代表着速度波动 方向。这些方程并不是一个闭集和湍流模型被用来模拟湍流雷诺应力张量。剪切应力运输SST - - - - - - 关闭湍流模型方程中提供的工作表示“状态”(15]。

离散化的错误源自数值算法,用于离散化网格样式和质量方程,边界条件和之间的区别是控制方程的精确解和离散系统。在这部作品中,理查森的外推法用于确定mesh-related离散化的错误。侯赛因et al。(2008)16)和最长Vinchurkar (2007) (12)提出了程序应用理查森的外推(重新)方法来确定离散误差。本地和全球的订单准确性,推断结果,错误,百分比和网格收敛指数计算以确保高保真确实获得结果。总共3网格列在表中1评估确定GCI值为每个网格类型。

表1
比较混合discretisation误差的测量和非结构化网格类型。

对网格尺寸 ,当地的明显的精确度, ,使用以下表达式,仿真计算和结果列在下表中1。这里的网格加密的因素 和 维持大于1.3: 在哪里

方程(4)解决了使用一个迭代过程的初始猜测 ,在那里 代表的结果相关的网格 。

外推值 和 使用以下公式计算:

相对误差, 和 计算的表达式:

最后,最精致的网格计算网格收敛指数使用表达式:

在(8), 系数作为“缓冲系数”外推误差近似GCI及其价值更细化网格情况下对于这项研究被认为是1.25。

研究参数的敏感性研究鼻阀的最大速度级地区和执行的情况下20 L / min。提出了网格收敛指数(GCI)为百分之一,可以有效地解释为误差百分比基于网格的仿真结果进行了分析。

3所示。结果与讨论

使用非结构化网格计算获得的压降约22.6 Pa 20 L /分钟的流量,而值17.8 Pa决心为混合网格。纯粹的非结构化网格overpredicted值相比,得到了温家宝et al。1]和Weinhold Mlynski [17)(18 Pa和20 Pa,职责。)。获得的电阻变化从0.026到0.124 Pa·秒/毫升7.5升/分钟的流量40 L / min,分别。流量的15 L / min,获得的流阻是0.048 Pa·秒/毫升。加西亚et al。18]报道相同的结果在0.039和0.082 Pa·s / L的流量15 L / min。图4提出了混合网格的结果报告类似的文学。约21%的差异阻力得到纯粹的非结构化网格和混合网格。鼻阀,位于距离约2厘米的前地区,与非结构化网格获得的最大速度是4.18米/秒,混合网格为4.76 m / s。相反,4.82 m / s, 3.1 m / s为熊et al。19)和Croce et al。20.),分别对相同的位置。因此,相当大的差异的观察值获得关于混合网格和纯粹的非结构化网格。


图4
电阻比较混合和非结构化网格类型。

墙剪切应力分布绘制了不同截面的鼻腔。图5清楚地显示了最大壁剪切应力的变化获得了所使用的两种类型的网。非结构化网格通常不是很有效地解决边界层现象,如预期overpredicted壁面切应力的形成。前部和后部区域注册更多的变化。因此,可以得出结论:混合网格有更好的网格边界面上的分布在捕捉壁剪切应力是有用的。


图5
最大壁剪切应力沿鼻腔的长度。

数据6和7显示速度和压力的分布在两个不同的地点在鼻腔。这些情节已经获得沿着标线AB,这些数字所示。有相当大的差异之间的价值观得到纯粹的非结构化四面体网格和混合网格。非结构化网格overpredicts压力值,此外,平均静态速度的值在这两个地方都低得多的混合网格相比,非结构化网格。因此,使用纯粹的非结构化网格的结果不适合流的量化描述鼻腔生理功能。


图6
速度和压力分布沿AB的距离4.5厘米从鼻孔。

图7
速度和压力分布沿着AB在鼻咽部分。

表1介绍了比较discretisation误差测量。估计的值在鼻阀的关键位置。鼻阀是鼻腔的最窄的部分,在流参数有显著的影响。非结构化网格和混合网的行为会有所不同,因此有不同的GCI值。在混合网格的情况下获得的相对误差仅为2.34%,而确定了非结构化网格是高达12.38%。此外,混合网格的GCI价值理想的不到1%,而对于非结构化网格是3.75%左右。面向非结构化网格有随机的四面体的脸,不随流的方向。棱镜网采用近壁边界流向提供了必要的调整,从而减少错误数值扩散的混合网格方案。这可能是为什么四面体网格具有较高的GCI值相比,混合网格类型。在鼻腔的上下文中,一个人必须意识到鼻腔结构非常复杂,并不是一个统一的途径。 It is a narrow tunnel lined with turbinates and mucous layer, which makes building mesh very difficult. Therefore, it is subjected to very high wall bounded flows and resolving wall layer with appropriate mesh is therefore very important. Thus the hybrid mesh is effective in reducing the diffusion errors at rugged wall boundary and prevents its dissipation into main flow. Earlier studies on bifurcating airways have reported GCI value of about 5% for unstructured mesh schemes [12]。减少GCI值为非结构化网格的可能原因在这项研究中(< 5%)是由于高密度网格集群的边界墙。的 1.37在本研究报告的非结构化网格。这清楚地表明,网格分辨率波纹鼻墙具有显著的重要性在克服错误扩散。然而,开发致密网格沿墙表面采用非结构化四面体网格类型添加到网格数增加,从而是昂贵的,需要相当长的时间来解决方程。另一方面,混合网格提供了一定程度的控制网格分辨率在墙边界,和网格 很容易产生。因此,混合网格有几个优点完全在一个四面体网格类型。此外,对海温 - - - - - - 湍流模型用于这项工作也可能导致较低的GCI值。风场 - - - - - - 湍流模型是非常有用的在报道wall-bounded流和已经成功地采用在过去许多研究[21,22]。然而,需要进一步的研究来验证湍流模型的选择结束的低GCI值使用两种类型的网格。然而,混合网格由于其易于开发和边界层决议兼容鼻腔等复杂几何域。

最早期的研究人员采用非结构化网格,以评估复杂的鼻腔内的流动物理域。它是困难和耗时的开发结构化网格。在缺乏结构化网格,在纯粹的非结构化网格混合网格有几个优点。混合网格提供更好解决边界层现象。它特别有用如果考虑精度湍流模型和大涡模拟(LES)模型,需要在墙上well-refined网格边界(14]。目前的研究表明,纯非结构化网格并不足以解决鼻腔内的流动特性,因此混合网格应该考虑在所有未来的鼻流的研究。

4所示。结论

混合网格的有用性在非结构化网格被量化。有相当大的差异,得到属性的值,使用非结构化四面体网格和混合网格。混合网格是很容易开发发展相比,纯结构网提供良好的控制网密度和被认为是有用的在解决墙界流。鼻腔的解剖复杂很难开发结构化网格,并且由于非结构化网格不够准确捕捉流物理混合网格提供了最好的选择。

利益冲突

作者没有任何利益冲突与本文的内容。

确认

作者之一是马来西亚理科大学博士后研究员和承认地毯的支持格兰特从马来西亚理科大学和马来西亚Putra大学。