计算流体动力学及其应用进展
查看此特殊问题一种>研究文章| M. R. Rasani,K. Inthavong,J. Y.Tu使用低湍流模型模拟咽部气流与空气流动的互动
抽象的
本文旨在模拟简化舌副本与呼气空气流动之间的相互作用,考虑到咽部气道中的流动湍流。采用具有低再次SST湍流模型的三维模型。用于流体控制方程的任意欧莱尼亚拉格朗日描述通过分隔方法与拉格朗日结构求解器联接,允许捕获流体域的变形。呈现舌头的三维流量特征和易用性。此外,还研究了从1.25MPa至2.25Mm的0.8mm至11.0mm和舌形式模量的初始收缩高度,并且还研究了并讨论了舌头的流速和折叠性的这些参数的影响。数值模拟确认了通风患者较窄的气道开口患者倾向于流动阻塞,并且如果与层流相比,如果咽部流动制度湍流,则表明很大的舌损。
1.介绍
人在睡眠时咽部呼吸道的崩溃会导致严重的健康并发症,估计有10%的打鼾者有患阻塞性睡眠呼吸暂停的风险[<一种HR.E.f="#B1">1一种>那<一种HR.E.f="#B2">2一种>].这些每小时部分或完全停止呼吸的发作会影响睡眠质量,降低脑氧饱和度,并与高血压和心力衰竭有关[<一种HR.E.f="#B1">1一种>].这种情况的生理机制与柔顺管或通道中的流动密切相关。星形电阻中流动的广泛实验揭示了这种压缩折叠式管系统中涉及的丰富的动力学特性[<一种HR.E.f="#B3">3.一种>那<一种HR.E.f="#B4">4.一种>].
毫不奇怪,已经开发了许多数值模型来模拟系统和理解在实验中看到的这些符合墙壁的崩溃和自我激发振荡所涉及的机制。早期的型号包括总数参数模型[<一种HR.E.f="#B5">5.一种>]沿整个船舶的流量变量和各种一维模型(例如,[<一种HR.E.f="#B6">6.一种>-<一种HR.E.f="#B8">8.一种>])考虑沿着船舶的纵向的流量变量的变化,但假设这些变量在每个横截面内不变化。还开发了更复杂的二维模型,例如罗和Predle的那些[<一种HR.E.f="#B6">6.一种>那<一种HR.E.f="#B7">7.一种>那<一种HR.E.f="#B9">9.一种>那<一种HR.E.f="#B10">10一种>[揭示了某些条件(雷诺数和膜张力的功能),其中稳定的溶液是稳定的,下面在流动中产生自激振荡和涡旋波。最近的可折叠管三维建模捕获管的强烈屈曲[<一种HR.E.f="#B11">11一种>[还揭示了自激振荡发作的流动壁能量提取和临界雷诺数的可能机制[<一种HR.E.f="#B12">12一种>].
将这些流动的流动在可折叠管中应用于实际生理现象提出了真正的挑战[<一种HR.E.f="#B1">1一种>].关于阻塞性睡眠呼吸暂停的主题,Chouly等。[<一种HR.E.f="#B2">2一种>那<一种HR.E.f="#B13">13一种>van hirtum等人。[<一种HR.E.f="#B14">14一种>[]建立了一个与线弹性壳单元耦合的渐近Navier-Stokes方程,以模拟在呼气流作用下简化舌的流动诱导变形。并通过体外实验模拟了舌在咽壁上的塌陷,验证了模型假设和数值结果。一般来说,气道狭窄通过文丘里效应促进透壁压力的增加,导致气道的部分塌陷,并随着腔内压差的增加而出现非线性流量延迟——这是塌陷通道的典型现象,称为流量限制。
二维,QuasiSteady,层状,具有由Chouly等人开发的壳模型的壳体的壳体流体流动之间的耦合。[<一种HR.E.f="#B2">2一种>]成功获得有效的实时结果,并在实验中使用加压乳胶进行验证。实际上,基于雷诺数,预计流量将在层内 神经系统和生理因素均与脂蛋综合征有关。以前的研究(例如,[<一种HR.E.f="#B17">17一种>])的研究表明,一般来说,呼吸暂停患者的口咽区域的开口较窄(可能是由于肥胖或组织积聚)。呼吸暂停和非呼吸暂停受试者的咽顺应性也有显著差异,特别是在呼气流量时[<一种HR.E.f="#B17">17一种>].
因此,本研究旨在使用耦合到舌头类似复制的低重新湍流模型来考虑呼气流体流动的三维模型。初始气道开口的效果和舌刚度对咽气通道内部的塌陷和流动的效果。还讨论了三维流动特征和湍流影响。
遵循Chouly和同事的方法[<一种HR.E.f="#B2">2一种>,一个简化的三维流动结构表示咽部气道如图所示<一种HR.E.f="//www.newsama.com/journals/mse/2011/510472/fig1/" target="_blank">1一种>.
通过口咽最狭窄开口(位于舌底)的汇流预计会产生喷射流,并在收缩的下游产生流动分离,其特征是剪切不稳定性引起的湍流[<一种HR.E.f="#B18">18一种>].避免使用三维大型涡模拟(LES)和直接数值模拟(DNS)所涉及的密集计算工作,采用更实用的方法。使用与剪切应力传输(SST)耦合的雷诺平均Navier-Stokes(RAN)方程来描述三维管中的稳定,不可压缩的湍流。 因此,为了关闭RAN方程(<一种HR.E.f="#EEq1">1一种>) 和 (<一种HR.E.f="#EEq1">2一种>),只需要湍流粘度,这是用两个未知数确定的,即湍流动能 此外,SST模型通过混合湍流涡动粘度公式进一步细化,可以更准确地预测壁面附近和远离壁面的涡动粘度: 方程(<一种HR.E.f="#EEq1">1一种>),(<一种HR.E.f="#EEq1">2一种>),(<一种HR.E.f="#EEq5">5.一种>),(<一种HR.E.f="#EEq5">6.一种>), 和 (<一种HR.E.f="#EEq7">7.一种>)表示通过流体求解器解决的完整流体模型。在SST中容易捕获具有适当近墙行为的低再仿真 假设流动对其中间垂直平面对称,根据图中所示的问题的半模型构成<一种HR.E.f="//www.newsama.com/journals/mse/2011/510472/fig2/" target="_blank">2一种>.罗和Pedley的类似符号[<一种HR.E.f="#B6">6.一种>],在每个边界处施加的条件总结如下: 墙壁上没有滑动边界条件意味着流速 对于经历稳定变形的连续体,柯西方程[<一种HR.E.f="#B20">20.一种>是一个有效的静态平衡方程: 考虑小变形理论,Green-Lagrange应变张量的二阶项[<一种HR.E.f="#B20">20.一种>]可以被忽视。因此,应变 - 位移关系可以描述为: 舌头解剖学主要由水组成(报告的密度为1040千克/米 除了与外部压力的流体域的弹性片段接口的公共面部外,弹性壁无处不在。 商业有限音量求解器(CFX)用于解决RAN方程(<一种HR.E.f="#EEq1">1一种>),(<一种HR.E.f="#EEq1">2一种>),(<一种HR.E.f="#EEq5">5.一种>),(<一种HR.E.f="#EEq5">6.一种>), 和 (<一种HR.E.f="#EEq7">7.一种>).流体域被细分为8个节点的三维六面体单元,以节点未知数组成离散代数方程 控制流体方程基于空间的固定欧拉参考框架。为了考虑边界变形,因此,在CFX中采用了流体网格的变形,任意拉格朗日 - 欧拉(ALE)描述。有效地,在ALE框架中,网格速度 商业有限元件求解器(ANSYS)用于解决部分微分方程(<一种HR.E.f="#EEq8">8.一种>) 和 (<一种HR.E.f="#EEq9">9.一种>).类似地,结构域被离散化为8点状的固体185个元素和(<一种HR.E.f="#EEq9">9.一种>)在未知的节点变形方面使用插值函数近似。最小化变分总势能或加权Galerkin残差导致代数方程的组装,其可以作为施加边界条件的函数来解决。
流体-结构相互作用是通过满足速度或位移连续性(即<一种HR.E.f="#EEq11">11一种>) 要么 (<一种HR.E.f="#EEq11">12一种>)和力平衡(<一种HR.E.f="#EEq11">13一种>),在流固域的共同界面处: 为了使这些条件同时在流体和固体溶剂中匹配,在ANSYS工作台平台中采用连续的迭代。基于初始几何配置来解决流体变量。弹性段处的流体压力和剪切力被插入弹性壁上的节点。将它们与外部压力和施加的边界条件一起施加,固体求解器求解弹性壁的变形。然后将这些节点偏转插入流体的弹性边界上的节点,其用于实现流体域上的网格变形。然后,流体求解器使用当前几何构造来解决未知的流体变量,并重复该过程直到节点偏转和力量(<一种HR.E.f="#EEq11">12一种>) 和 (<一种HR.E.f="#EEq11">13一种>)来自电流和先前的耦合迭代在特定的公差范围内。整个过程可以归纳如图所示<一种HR.E.f="//www.newsama.com/journals/mse/2011/510472/fig3/" target="_blank">3.一种>.
注意,对于稳定条件(忽略惯性效应和结构变形达到静态平衡),弹性壁速度 几趟不同的下游长度 为了验证结构模型,采用泊松比0.499和杨氏模量 为了研究以下生理变化对咽道溃散性和流型的影响,模拟了以下参数范围: 初始收缩高度改变以模拟牛咽或非燕底受试者舌内舌内舌内的不同程度的效果。舌头后面的开口间隙通常为11 mm [<一种HR.E.f="#B27">27.一种>]但是当受试者处于睡眠位置时可能会降低。Chouly等人的初步研究。[<一种HR.E.f="#B18">18一种>[睡眠仰卧位期间,报告的开口为1至2毫米。符合此,本文研究了0.8至11.0mm之间的变化。
舌头模量的影响也是感兴趣的。人口中机械性能的变异并不意外。褐等人测量的咽部依从性的变化程度。[<一种HR.E.f="#B17">17一种>在送货患者中,可以对逆止区区域的刚度变化有所了解。舌刚度的变化也表明肌肉激活程度[<一种HR.E.f="#B21">21.一种>并被用来捕捉肌肉组织的定向激活。在本文中,考虑了弹性壳复制舌的问题, 为了研究第一个参数,弹性模量 研究的第二个参数是舌模量对呼气流量与舌相互作用的影响。为了研究这个参数,一个初始压缩高度为1.2 mm的结构 比较两个参数的相对影响, 根据液压直径, 沿着最窄的开口的横截面(用于 与层流相比,低 - 理想气道中的典型流动模式如图所示<一种HR.E.f="//www.newsama.com/journals/mse/2011/510472/fig9/" target="_blank">9.一种>.通常,流动与弹性壁,底壁和侧壁分离。立即观察到在喷射流以上的弹性墙的下游观察三维再循环 从进气道上半部分和下半部分的流线显示了水流向侧壁迁移的趋势,侧壁的横截面积更开阔。这侧流(也可以从速度轮廓向侧面峰值显示出来)在越高时越明显 因此,压力曲线也受到横截面开口和速度的横向分布的影响。这是从位于图中所示的几个横向位置的轴向平面的压力轮廓图中显而易见<一种HR.E.f="//www.newsama.com/journals/mse/2011/510472/fig10/" target="_blank">10一种>在收缩附近的临界吸入压力稍微靠近预期更大开口的侧壁的情况下略微降低。
侧壁对侧向压力和速度分布的影响也将影响舌复制品(弹性壁)和口咽基底(刚性底壁)的流动分离位置。数字<一种HR.E.f="//www.newsama.com/journals/mse/2011/510472/fig11/" target="_blank">11一种>在几个横向位置呈现沿底壁的轴向剪切轮廓 三维低 - 参数研究代表一些几何和机械因素,影响呼吸暂停在气道的调查。调查表明,狭窄的气道开口和气道顺应性的增加都增加了呼吸暂停发作的易感性。此外,还提出了与气道-舌复制品相关的三维流动特征。
Brown等人[<一种HR.E.f="#B17">17一种>]已经成功地测量了呼吸暂停患者和非呼吸暂停患者在呼气和吸气呼吸压力时沿咽道横截面积的变化,从而使咽部顺应性作为与口腔距离的函数得到估计。在未来的工作中,这种沿咽气道变化的刚度可以被纳入,以捕捉咽气道内多个不同顺应性节段之间的相互作用,以及它如何影响管腔塌陷和重新开放。最终,一个真实的咽部气道模型可以用于流体结构的研究。
作者通过高等教育部根据第一作者的IPTA学术培训计划来承认马来西亚政府的财政支持。澳大利亚研究理事会(项目ID LP0989452)和RMIT大学通过新兴的研究员格兰特提供的财务支持也得到了感谢地承认。此外,许多感谢Franz博士围切富有成效的通信。
版权所有©2011 M. R. Rasani等。这是分布下的开放式访问文章<一种R.E.L.=“L.一世CE.NS.E.“HR.ef="http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/">创意公共归因许可证一种>,允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制,但必须正确引用原作。
年度文章奖:由主编评选的2020年杰出研究贡献。<一种HR.E.f="//www.newsama.com/article-year-award/" rel="noopener noreferrer" target="_blank">阅读获奖文章一种>.2.数学模型
2.1。控制流体的方程
咽部气道模型。
(一)
(b)
(C)

(一)
(b)
(C)
模型定义(a)等距视图,(b)查看对称平面的侧视图,(c)从入口看前视图。
2.2.结构控制方程
3.计算方法
流体结构耦合流程图。
4.结果和讨论
弹性墙的压力与偏转曲线。(偏转在对称平面上以最低点测量。标准化常数GydF4y2Ba爸和GydF4y2Ba毫米)。
4.1.参数的调查
(一)
(b)

(一)
(b)
参数调查(a)初始气道开放的效果GydF4y2Ba关于流速GydF4y2Ba和收缩高度GydF4y2Ba用于固定的舌副本模量GydF4y2Ba MPa, (b) effect of tongue modulus关于流速GydF4y2Ba和收缩高度GydF4y2Ba对于固定的初始开口GydF4y2Ba mm (GydF4y2Ba L/min,GydF4y2Ba Pa, and).
4.2。弹性墙偏转
横向方向的偏转轮廓横跨最窄的开口(见图GydF4y2Ba).
弹性墙体挠度随时间增加而增加GydF4y2Ba为一个GydF4y2Ba毫米的情况。(归一化常数:GydF4y2Ba爸和.)
(一)
(b)

(一)
(b)
压力分布在收缩附近GydF4y2BaPa为初始缩窄高度= 1.2 mm的病例GydF4y2Ba Pa (GydF4y2Ba Pa,米/秒,GydF4y2Ba mm [])。
4.3。三维流量功能
(一)
(b)

(一)
(b)
沿垂直对称平面,底壁和几个轴向横截面的速度流和轮廓,(a)GydF4y2Ba爸和(b)GydF4y2Ba Pa (GydF4y2Ba mm case).
顶壁沿几个轴向面的压力分布。
沿底墙上的几个轴平面墙剪切曲线(请注意,弹性墙位于内部GydF4y2Ba).
5.结论
致谢
参考文献
版权
更多相关文章