مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

شبیه‌سازی عددی پخش ذرات اطراف سیستم تنفسی یک مانکن در حالت ایستاده و خوابیده در داخل اتاق

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، واحد شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ایران
چکیده
در این مقاله تاثیر موقعیت مانکن به همراه سیستم تنفسی در اتاق دارای سیستم تهویه بر میدان جریان و پخش ذرات به صورت عددی بررسی شده است. میزان جذب و نشست ذرات درون سیستم تنفسی و اتاق از دیدگاه لاگرانژی مورد مطالعه قرار گرفته است. سیستم تنفسی مورد بررسی شامل بینی، حلق فوقانی، حلق تحتانی، حنجره و نای بوده که توسط عکس‌های سی‌تی اسکن تولید و روی مانکنی سه‌بُعدی سوار شده است. مانکن درون اتاقی دارای ۴ دریچه خروجی و ۲ دریچه ورودی در حالت ایستاده و در حالت خوابیده مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای شبیه‌سازی میدان جریان از نرم‌افزار انسیس فلوئنت ۱۷/۲ و برای مدل‌سازی آشفتگی از مدل آشفته چهارمعادله‌ای انتقال تنش برشی گذار استفاده شده است. شبیه‌سازی‌ها در ۳ مقدار متفاوت دبی تنفسی در حالت دم و برای ذراتی در ۴ قطر متفاوت انجام شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که میزان نشست ذرات روی سطوح مانکن خوابیده به‌علت نیروی گرانش بیشتر از مانکن ایستاده است. میزان ورود ذرات به سیستم تنفسی مانکن کمتر از ۰/۴% کل ذرات ورودی است. همچنین بینی ذرات بزرگ را جذب می‌کند، در حالی که با کاهش قطر ذرات، میزان بیشتری از ذرات در قسمت‌های پایین‌تر سیستم تنفسی رسوب می‌کنند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Simulation of Particle Dispersion around Respiratory System of a Standing and Sleeping Mannequin inside a Room

نویسندگان English

N. Parsa Mofrad
M.M. Tavakol
Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran
چکیده English

In this paper, the effect of a mannequin location with an integrated respiratory system in a ventilated room on the flow field and particle dispersion was evaluated, using numerical simulations. Dispersion and deposition of particles inside the respiratory system and inside the room have been investigated, using a Lagrangian approach. The respiratory system contains the nasal airway, nasopharynx, oropharynx, and larynx, trachea, which has been generated from CT scan images and installed on a 3D mannequin model. The evaluation conditions varied as standing and sleeping mannequins form in a room that includes 2 input dampers and 4 output dampers. For simulation of the flow field, the ANSYS FLUENT software- version 17.2 with the 4-equation SST transition turbulence model have been used. Simulations have been performed for 3 different respiration flow rates and 4 different particle diameters. Results indicate higher deposition on the sleeping model rather than standing model due to gravitational effect. The total aspiration of particles inside the respiratory system was less than 0.4%. In addition, the nasal cavity captures large particles, while for small particles, higher deposition occurs in the lower parts of the respiratory tract.

کلیدواژه‌ها English

Standing and Sleeping Mannequins
Particulate Matter
Respiratory System
CFD
Klepeis NE, Nelson WC, Ott WR, Robinson JP, Tsang AM, Switzer P, et al. The National human activity pattern survey (NHAPS): A resource for assessing exposure to environmental pollutants. Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology. 2001;11(3):231-235. [Link] [DOI:10.1038/sj.jea.7500165]
Lai ACK, Chen F. Modeling particle deposition and distribution in a chamber with a two-equation Reynolds-averaged Navier-Stokes model. Journal of Aerosol Science. 2006;37(12):1770-1780. [Link] [DOI:10.1016/j.jaerosci.2006.06.008]
Stover DE, White DA, Romano PA, Gellene RA, Robeson WA. Spectrum of pulmonary diseases associated with the acquired immune deficiency syndrome. The American Journal of Medicine. 1985;78(3):429-437. [Link] [DOI:10.1016/0002-9343(85)90334-1]
Hofmann W. Modelling inhaled particle deposition in the human lung-A review. Journal of Aerosol Science. 2011;42(10):693–724. [Link] [DOI:10.1016/j.jaerosci.2011.05.007]
Spitzer IM, Marr DR, Glauser MN. Impact of manikin motion on particle transport in the breathing zone. Journal of Aerosol Science. 2010;41(4):373-383. [Link] [DOI:10.1016/j.jaerosci.2010.01.009]
Ghalati PF, Keshavarzian E, Abouali O, Faramarzi A, Tu J, Shakibafard A. Numerical analysis of micro-and nano-particle deposition in a realistic human upper airway. Computers in Biology and Medicine. 2012;42(1):39-49. [Link] [DOI:10.1016/j.compbiomed.2011.10.005]
Naseri A, Abouali O, Ghalati PF, Ahmadi G. Numerical investigation of regional particle deposition in the upper airway of a standing male mannequin in calm air surroundings. Computers in Biology and Medicine. 2014;52:73-81. [Link] [DOI:10.1016/j.compbiomed.2014.06.007]
Rahimi-Gorji M, Gorji TB, Gorji-Bandpy M. Details of regional particle deposition and airflow structures in a realistic model of human tracheobronchial airways: Two-phase flow simulation. Computers in Biology and Medicine. 2016;74:1-17. [Link] [DOI:10.1016/j.compbiomed.2016.04.017]
Keshavarz SA, Salmanzadeh M, Ahmadi G. Computational modeling of time resolved exposure level analysis of a heated breathing manikin with rotation in a room. Journal of Aerosol Science. 2017;103:117-131. [Link] [DOI:10.1016/j.jaerosci.2016.09.005]
Lintermann A, Schröder W. Simulation of aerosol particle deposition in the upper human tracheobronchial tract. European Journal of Mechanics B Fluids. 2017;63:73-89. [Link] [DOI:10.1016/j.euromechflu.2017.01.008]
Nielsen PV. Fifty years of CFD for room air distribution. Building and Environment. 2015;91:78-90. [Link] [DOI:10.1016/j.buildenv.2015.02.035]
Menter FR, Langtry RB, Likki SR, Suzen YB, Huang PG, Völker S. A correlation-based transition model using local variables-part I: Model formulation. Journal of Turbomachinery. 2006;128(3):413-422. [Link] [DOI:10.1115/1.2184352]
Zhou Q, Leschziner MA. A time-correlated stochastic model for particle dispersion in anisotropic turbulence. 8th Symposium on Turbulent Shear Flows, 9-11 September, 1991, Munich, Federal Republic of Germany. PA: Pennsylvania State University; 1991. [Link]
Daly BJ, Harlow FH. Transport equations in turbulence. The Physics of Fluids. 1970;13(11):2634-2649. [Link] [DOI:10.1063/1.1692845]
Crowe CT, editor. Multiphase flow handbook. 1rt Edition. Boca Raton: CRC Press; 2006. [Link]
Rostami M, Ardeshir A, Ahmadi G, Thomas PJ. Can the history force be neglected for the motion of particles at high subcritical Reynolds number range?. International Journal of Engineering Transactions B Applications. 2006;19(1):23-34. [Link]
Kelly JT, Asgharian B, Kimbell JS, Wong BA. Particle deposition in human nasal airway replicas manufactured by different methods. Part I: Inertial regime particles. Aerosol Science and Technology. 2004;38(11):1063-1071.
https://doi.org/10.1080/027868290883360 [Link] [DOI:10.1080/027868290883432]
Golshahi L, Noga ML, Thompson RB, Finlay WH. In vitro deposition measurement of inhaled micrometer-sized particles in extrathoracic airways of children and adolescents during nose breathing. Journal of Aerosol Science. 2011;42(7):474-488. [Link] [DOI:10.1016/j.jaerosci.2011.04.002]
Hounam RF, Black A, Walsh M. The deposition of aerosol particles in the nasopharyngeal region of the human respiratory tract. Journal of Aerosol Science. 1971;2(1):47-61. [Link] [DOI:10.1016/0021-8502(71)90007-3]