Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad saeed Saeedi,Ahmad Reza Pishevar
محمدسعید سعیدی (استاد راهنما) احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mojdeh Monjezi
مژده منجزی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Modeling of Aerosol Deposition in Human Lung’s Lobes Using 3D-1D Method
The complex geometry of the human lung airway tree makes the airflow simulation of the whole tree unreachable. As a first difficulty, the resolution of CT imaging is currently restricted, and smaller tubes are not visible during segmentation of the 3D models. Secondly, it is not computationally feasible to simulate all generations in any case. Thus most of modeling is restricted to the simple geometries or only a set of generations. The aim of this study is to obtain a model that could accurately describe the airflow in the whole respiratory track. In this paper a multiscale modeling of the respiratory track is proposed by using Monte-Carlo method to construct a stochastic structure of the lung. In this way the respiratory tree is decomposed into three regions and a different model will be exploited in each of these regions: the upper part (before lobes entrances) where the unsteady incompressible Navier-Stockes equations hold to describe the fluid flow in 3D coordinates, the distal part (inside lobes before acinar region), where one can assume one dimensional flow and the acinar airways assumed to be embedded in a box and a lumped parameter model based on Womersley analysis can be used. We have applied the lumped parameter model of acinar region as the outlet boundary condition of the distal part. According to this model the impedances are computed at the end of the distal part. Then for each tube based on the ratio of the pressure drop to the flow rate in the frequency domain, an impedance is introduced. Starting from the acinus and moving upward, the impedance at each tube inlet will be approximated. By calculating these impedances we can find the flow rate and outlet pressure of each tube. After solving the 1D Navier-Stockes equations, the tubes impedances are corrected until the convergence is achieved. One important issue is coupling between 3D and 1D model. This goal can be achieved by using the following algorithm. Starting from a given inlet velocity and an estimation for the pressure at the outlet, the 3D model is solved. Using the computed flow rate at the outlet of this model, the 1D model is solved in the next step. Then the computed inlet pressure of 1D model is compared with the initially assumed outlet pressure of 3D model and in case of any difference the pressure is corrected, accordingly. The procedure is repeated until coupling is established within a tolerance. This algorithm is used in each time step to achieve complete coupling. Finally regional and total deposition fractions of different particles in the human respiratory system during inhalation are computed using available semi experimental equations and stochastic algorithm. Keywords: Monte Carlo modeling, Whole lung, Five lobes, Impedance, 3D-1D coupling, lumped parameter model, particle deposition
هندسه پیچیده مجاری ریوی انسان شبیه سازی جریان هوا در کل ساختار ریه را دست نیافتنی ساخته است. به عنوان اولین مشکل، دقت عکسبرداری های CT در حل حاضر محدود است و مجاری کوچکتر در حین تجزیه مدل های سه بعدی قابل تشخیص نیستند. دوم اینکه در هر صورت شبیه سازی تمامی نسل ها از نظر محاسباتی عملی نمی باشد. هدف این مطالعه بدست آوردن مدلی است که بتواند جریان هوا در کل درخت تنفسی را بادقت توصیف کند. در اینجا مدل سازی چند مقیاسی درخت تنفسی با استفاده از روش مونت کارلو برای ایجاد یک ساختار آماری از ریه ارائه می شود. در این مدل سازی ساختار درخت تنفسی به سه منطقه تقسیم می شود و در هر منطقه مدلی متفاوت به کار می رود: قسمت فوقانی (قبل از ورودی لُب ها) که معادلات ناویر استوکس تراکم ناپذیر و گذرا برای بیان جریان هوا در سه بعد معتبرند؛ قسمت انتهایی (درون لُب ها تا قبل از منطقه ی حبابچه ای) که فرض جریان یک بعدی معقول است؛ مجاری بخش حبابچه ای که فرض می شود یک جا به صورت یک مدل ظرفیت فشرده بر اساس آنالیز ومرسلی در انتها گنجانده شده اند. از مدل ظرفیت فشرده منطقه ی حبابچه ای به عنوان شرط مرزی خروجی قسمت انتهایی استفاده می شود که برطبق این مدل امپدانس ها در انتهای ریه محاسبه می شوند. سپس برای هر لوله براساس نسبت اختلاف فشار به دبی سیال در حوزه فرکانس یک امپدانس معرفی می شود. با شروع از حبابچه ها و حرکت به سمت بالا امپدانس در ورودی هر لوله تقریب زده می شود. با محاسبه ی این امپدانس ها می توانیم دبی ورودی و فشار خروجی هر لوله را پیدا کنیم. بعد از حل معادلات یک بعدی ناویر استوکس، امپدانس ها اصلاح می شوند تا اینکه همگرایی حاصل شود. یک مسئله مهم، ایجاد کوپل بین مدل سه بعدی و یک بعدی است. این هدف با استفاده از الگوریتم زیر محقق می شود. با شروع از یک سرعت داده شده و یک تخمین برای فشارهای خروجی، مدل سه بعدی حل می شود. با استفاده از دبی محاسبه شده در خروجی این مدل، در مرحله ی بعد مسئله یک بعدی حل می شود. سپس فشار ورودی محاسبه شده ی مدل یک بعدی با فشار خروجی مدل سه بعدی که در ابتدا فرض شده بود مقایسه شده و در صورت وجود اختلاف اصلاح می شود و متناظراً روند تکرار می شود تا اینکه کوپلینگ کامل حاصل شود. به منظور کاهش هزینه محاسباتی شبیه سازی جریان در هریک از پنج لُب به طور جداگانه انجام می گیرد. در نهایت با استفاده از روابط نیمه تجربی موجود و الگوریتم آماری، توزیع منطقه‌ای و کلی جذب ذرات مختلف در دستگاه تنفسی انسان حین دم محاسبه می شود. کلمات کلیدی: مدلسازی Monte Carlo ، مدل کلی ریه، پنج لُب، امپدانس، کوپلینگ 3D-1D، مدل ظرفیت فشرده، جذب ذرات

ارتقاء امنیت وب با وف بومی