文摘
现实的人类上呼吸道的流动特性(HUA)阻塞导致咽崩溃的数值研究。3 d结构上精确华模型从图中显示图像重建中国男性患者(38年,体重指数25.7)。计算流体动力学(CFD)和大涡模拟(LES)方法应用于模拟气流动力学在华模型在吸气和呼气的过程。激光多普勒风速测定(LDA)技术是同时采用测量气流在华模型作证LES方法的可靠性的目的。模拟,代表呼吸强度的16.8升/分钟(轻微的呼吸),30 L / min(中度呼吸),60 L / min(严重呼吸法)进行了连续的吸气和呼气的条件下。气流速度场和静态压力场是获得和详细讨论。结果显示气流不稳定过渡经验/在华模型在低雷诺数湍流。气流场的原因发生的有力的喷射现象由于缩小咽呼吸系统疾病造成的吸气和呼气。里面也存在强劲的流动分离和背部流阻塞华由于激烈的射流影响咽。目前的结果将提供理论指导治疗阻塞性呼吸道疾病。
1。介绍
吸入粒子的罪魁祸首是恼人的雾和霾污染,严重危害人类的健康。人类上呼吸道(华),包括口腔、鼻腔、咽、喉、气管、吸入粒子的主要通道是损害人类健康,导致呼吸道疾病的范围从简单的感冒,打鼾和阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)甚至更严重的肺炎和肺癌(1,2]。彻底理解气流动力学和颗粒沉积模式,具有重要意义探讨内部气流特征。
到目前为止,许多实验研究进行了探讨气流在实验室花模型属性。Girardin et al。(1983)应用LDA测量来确定人类鼻腔中的速度场模型的尸体在五冠状部分3]。Heenan et al。(2003)研究了气流场在一个理想化的代表人类的口咽(HOP)通过粒子图像测速仪(PIV),这显然表明跳流的复杂性,横生,和几个地区的分离和再循环明显(4]。基于热线风速测定和流动显示方法,约翰斯通et al。(2004)测量了轴向速度场在中央矢状平面的一种理想化表现人类extrathoracic气道(ETA) [5]。他们发现,埃塔的气流模式相当复杂,涉及的几个地区的分离,二次,循环流动。多利et al。(2008)研究了气流特点制造的副本模型的鼻腔PIV和流可视化(6]。量化细节的变化速度在不同地区的鼻腔。最近,金正日和钟(2009)扩展他们的工作从金正日和钟(2004),层析PIV测量被在一个完整的华模型周期流条件下(7,8]。在矢状面和冠状面速度分布。结果表明,主流经历喉和气管的背后的灵感和过期的额边。
虽然实验测量明显有助于理解气流动力学在华,缺乏完整的忠诚热线和清楚地证实了PIV (5,9]。另一方面,CFD现在不仅成为一个强大的工具来分析气流模式,而且温度的变化,压力和壁面切应力在华10,11]。近年来,复杂的代表性和现实的华模型重建。王et al。(2009)建立了华健康志愿者的基于CT图像定量研究气流结构和功能之间的关系(12]。主要是观察到的空气通过鼻腔的地板上常见的,中间,和下鼻道,气道阻力和壁面切应力越高被发现后鼻阀。Mihaescu et al。(2008)应用LES描述过渡/湍流气流场在人类现实的咽部气道阻塞,这表明莱斯可以提供增加的详细程度和精度不稳定,分离,或旋转的湍流情况下(13]。陆同样,et al。(2014)计算了压力和剪切应力分布在现实的华莱斯(阻塞性睡眠呼吸暂停综合症治疗前后的14]。存在一个重大压力和剪切应力下降地区附近软腭在治疗之前,和上气道的流动阻力减小,壁面切应力值是在治疗后显著降低。最近,小王和Elghobashi(2014)开发了一种直接数值simulation-lattice波尔兹曼方法(DNS-LBM)探讨气流从图中数据在两个特定的华重建在吸气和呼气(15]。数值结果表明,DNS-LBM解算器可以用来获得准确的气流细节,这是一个强大的工具来定位的阻塞。
在前面的研究中,吸气和呼气的行为实验和模拟大多是分别进行的,导致呼吸周期中不连续的吸气和呼气。呼吸强度也大多认为是常数,也可以导入差异与真正的呼吸过程。虽然时间的气流模式在华认为呼吸强度已报告(12,16),气流动力学在华仍然远未被完全理解。因此,我们的目标是在数值研究气流动力学下的现实阻碍华持续吸气和呼气与不同的呼吸强度。本研究将提供一个理论指导与梗阻治疗呼吸道疾病。
2。方法
2.1。问题描述
图中显示基于医学图像的中国男性患者(38年,体重指数25.7),3 d结构上精确华咽阻塞而导致的崩溃模型重建使用图像处理软件模拟,如图1。轴向平面上获得的图像的分辨率毫米2和切片厚度为0.625毫米。实施进口和出口边界条件,两个鼻孔,添加的扩展和另一个扩展在喉部下游地区的补充道。在灵感,扩展两个鼻孔都设置为速度入口边界,和扩展在喉部下游地区的出口压力边界。在过期,边界条件与灵感的过程。
(一)
(b)
设计连续的吸气和呼气,气流场的数值结果的灵感被强加的过期的初始状态,和气流场的模拟结果年底过期是为了成为下一个灵感的初始状态。在我们的模拟中,入口速度对时间的变化是周期性的正弦函数;也就是说, 在哪里呼吸的速度,呼吸强度,是一个完整的呼吸周期的时间,是入口截面积,它代表着鼻孔的面积在过期的灵感和气管的面积。
2.2。数值方法
CEM-CFD的软件是应用于网格阻塞华模型。由于呼吸系统结构的复杂性,采用四面体网格生成元素。准确地计算气流特性,采用精细网格附近咽和喉。速度的计算结果被mesh-convergent在规定的公差(~ 0.2%)。
啮合后,应用CFD软件包流利15.0解决建模气流的流动控制方程的痛苦。计算的时间步长是0.001秒,时间步骤的数目是2500个人吸气和呼气气流。入口速度是设计成周期性的正弦函数,被定义在(1),由用户定义函数(UDF)。由于莱斯是一个验证方法捕捉过渡/动荡不稳定,分离,或旋转的流精度(17],因此它是应用于揭示此类相关流动分离区域附近的流动特性的最小横截面积的气道和下游地区。在LES方法中,过滤操作的变量()可以表示为 在哪里计算细胞的体积和过滤功能被定义为
过滤过程有效地过滤掉漩涡尺度小于滤波器的宽度或网格间距,质量和动量守恒的过滤后的n - s方程可以写成 在哪里是过滤速度,是过滤压力,是时间,是流体密度,是有效的粘度。wall-adaption当地涡粘性模型(WALE)被选为次网格尺度(SGS)模型建模的影响无法解决的动荡在湍流可解性的规模。使用的压力和速度之间的耦合庇索的方案,由于其独特的优势在解决瞬态问题。指定用户定义的入口速度是正常的鼻孔的边界的飞机,和静压出口将是零。此外,无滑动边界条件实施在所有固体墙壁。
3所示。结果与讨论
3.1。实验验证
首先,测量和计算结果之间的比较中心线的横截面进行验证目前CFD方法的可靠性。在实验中,速度概要文件在华模型被LDA测量。测量截面(BC1-BC5)被显示在图2(一个)。由于阻塞狭窄的花,只有一个测量截面BC4中心线,虚线所示,选择了与仿真结果进行比较。测量开始从后到前华的水平运动。在气流场模拟,解决了CEM-CFD的软件,同时采用LES湍流模型,揭示了过渡/动荡不稳定,分离、或旋转的流。实验和模拟的呼吸强度是常数L / min,对应于一个常数入口速度的m / s计算根据呼吸强度,鼻孔横截面积。
(一)
(b)
(c)
图2 (b)显示了测量速度阻塞华模型中的配置文件。BC1-BC5经历类似的轴向速度分布趋势,既高后端附近由于强咽喷嘴和效果变得弱和消极的前壁附近由于回流的效果。最大速度在5个截面BC1-BC5可以达到大约5.1 ~ 5.6 m / s。图2 (c)说明了测量和计算数据之间的比较截面BC4的中心线,在径向距离是标准化的。一般来说,它们之间的协议的速度概要文件是好的。虽然速度非常接近墙不能捕获由于LDA技术的限制,速度概要文件和价值观几乎一样的计算在整个测量的地区,发现目前CFD方法可以用来研究气流动力学在华阻塞模型。
3.2。网格独立测试
验证网格独立性,三个不同大小的束缚(1862545、1283535和834353个细胞)进行选择计算在16.8升/分钟的呼吸强度年代,最大灵感发生在呼吸的过程。如图3,9个特征截面(O1-O9),它代表了典型的鼻阀的位置,前鼻甲骨,后鼻甲骨,口咽,咽,会厌的,会厌,喉,气管,六个特征点(a e)在阻塞华选择模型。由于华的缩小,测量特征截面O7中心线,图中虚线所示3,采用网格独立执行测试。
从图4的协议,我们可以发现,轴向速度三束腰大小很好后壁射流的中心地区。然而,834353个细胞的网格大小的轴向速度远小于其他两种网格尺寸的飞机保证金从飞机的中心区域。从飞机保证金前壁,轴向速度为所有三个网格大小几乎没有区别。一般来说,1283535和1283535细胞之间的轴向速度的差异要小得多比较834353个细胞。1283535细胞似乎可以满足的要求其他地区的选择计算和模拟。
3.3。在阻塞气流动力学
在模拟中,呼吸强度L / min(轻微的呼吸),30 L / min(中度呼吸),60 L / min(严重呼吸法)进行了连续的吸气和呼气的条件下。两个呼吸周期后,速度和压力领域循环呼吸。
数据5(一个)和5 (b)现在的瞬时速度轮廓之间的矢状面后在循环呼吸鼻甲骨和喉L / min和,3.75秒,最大吸气和呼气发生在呼吸周期。基于的定义,吸气和呼气的入口雷诺数372年和512年,分别。在这里,是空气密度,半周期的平均进口速度,是有效的进口规模,是有效的空气粘度。在灵感,气流从鼻孔到气管。瞬时速度逐渐增加后鼻甲骨的咽咽最后达到峰值。存在一个射流下游地区的咽,由于缩小发生在咽。在过期,气流从气管鼻孔。同样,气流发生在咽的最大速度。射流也发现下游地区的咽。瞬时速度轮廓在轴向飞机在吸气和呼气L / min和,3.75秒显示在数字5 (c)和5 (d)。由于气道的突然扩张鼻孔后,前鼻甲骨和后鼻甲骨的速度远低于其他地区的灵感。然而,射流后会导致更大的速度比在过期前鼻甲鼻甲骨。明显的流动分离和回流观察咽后灵感由于射流的强烈影响。同样,射流效应引起强烈的流动分离和回流口咽和中鼻甲过期。
(一)
(b)
(c)
(d)
六个特征点前后咽选择分析速度和静压的变化L / min和3.75 s。图6(一)显示瞬时速度组件(和在这些特征点)。它可以指出,瞬时速度的最大振幅出现在C点,位于横截面O5特点,在吸气和呼气的过程。它是关于6.20 m / s C灵感,略小于6.40 m / s过期。静态压力如图六个特征点6 (b)。在灵感,从A到C的静态压力降低时,达到最低的最小截面O5−6.35 Pa,气流达到其最大速度。静压的变化从C E通常创建一个循环区(倒流)由于不良压力梯度。过期过程导致出现相反的现象相比,灵感的过程,除了静态压力的急剧下降在c .过期,最小静压几乎是−11.16 Pa,远低于在灵感。显然,前后有两个大的压力差异出现流收缩在C,表明在咽阻塞时,也验证的方法定位气道崩溃之间使用压差传感器(18]。
(一)
(b)
图7说明了两个瞬时速度的变化组件(和六点)和静态压力特征点在整个循环呼吸过程L / min。从数据可以看出7(一)和7 (c)的速度是非常不同的振幅;然而,几乎他们所有人的经验的正弦波在这些特征点,由于周期性正弦入口边界条件。在灵感,A和B的速度波动弱,表明从层流到湍流过渡。C位于咽的横截面;发生的最大速度与减少波动。横截面积的减少鼻咽和口咽之间生成一个喷气下游的限制。自D仍射流的地区内,速度分布的经历更少的波动。E位于飞机的面积减少和回流扩张;速度的波动逐渐增加,因为强烈的湍流和回流。的收缩喉,湍流强度迅速增强; there also exists substantially fluctuation of the velocity at F resulting from the violent low Reynolds turbulent and reversed flow. It can be confirmed that the airflow in the pharynx, larynx, and trachea is turbulent and unsteady. During expiration, due to the jet flow and the complication of epiglottis, the monitoring points generate varying degrees of fluctuation with the exception of F, revealing that the degree of monolithic turbulence in expiration is larger than that in inspiration.
(一)
(b)
(c)
(d)
人类呼吸的过程取决于胸腔的扩张和收缩,在特征点和静压组件提出了数字7 (b)和7 (d)。因为鼻腔的压力小于大气,A和B表现出积极的压力灵感。由于收缩咽,点C的静压将负面和0之间的不同和−10 Pa。扩大气道,静压从D F逐渐出现,变得积极。相应地,再循环区产生的负压从咽下游地区。在过期,静态压力D-F几乎重合。同样,最高的负压出现在C和静态压力波动和趋向于0 A和b。与此同时,创建一个类似的紊流区咽、鼻甲骨。
由于特定的咽收缩,瞬时速度和静压的变化在C选择和计算三个典型的呼吸强度,即L / min(轻微的呼吸),30 L / min(中度呼吸),和60 L / min(严重呼吸),是显示在图8。在灵感,速度的变化趋势相似,其档案所有正弦曲线形状,尽管他们的振幅是非常不同的。它可以观察到,速度迅速出现呼吸强度的增加。期间到期,速度的波动变得更加明显的提高呼吸强度由于射流的影响。速度的振幅相同的呼吸强度近似灵感和呼吸。从数据8 (b)和8 (d),发现振幅下的静压L / min呼吸强度是在近5倍在L / min和24倍L / min,这表明呼吸强度显著影响瞬时速度和静压。静态压力的波动与呼吸强度的增加迅速增加吸气和呼气,因为可能会导致更大的呼吸强度强华内湍流模型。
(一)
(b)
(c)
(d)
4所示。结论
在这部作品中,流动特性在现实的苦难华咽崩溃导致的数值研究基于CT-CFD方法。3 d结构上精确华模型从图中显示图像重建中国男性病人。LES方法的计算流体动力学解算器应用于模拟laminar-transitional-turbulent气流阻塞华模型。此外,LDA测量气流场的痛苦华模型执行验证LES方法的可靠性。计算,连续循环呼吸是通过改变边界条件,和气流场和压力场的基础上计算实际循环吸气和呼气的过程。瞬时速度和静压在几个选定的特征截面和点讨论轻微呼吸,温和的呼吸,和严重的呼吸。研究结果表明,气流在华模型是一个不稳定的过渡/低雷诺数湍流。强烈的流动注射现象引起的缩小咽在吸气和呼气。强烈的流动分离和内回流华也观察到由于激烈的射流影响咽。此外,还发现呼吸气流动力学强度有很大影响。 The analysis for airflow field in the suffering HUA model could come up with great assistance for the treatment of obstructive respiratory disease. What is worth mentioning is that the present CT-CFD based computational method is applicable but not limited in modeling the flows in the circulatory and respiratory systems; it can also be applied to study the flows in the circulatory and reproductive systems, that is, sperm swimming in fertilization.
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
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