[論文レビュー] CFD simulations of turbulent flow in the human upper airways

Elin Aasgrav, Sverre Gullikstad Johnsen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2017

Inhalation and Respiratory Drug Delivery参考文献 7被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、術前CTスキャンから得られた患者特異的モデルを用いたCFDシミュレーションにおいて、乱流モデルの影響を調査した。一定の吸気流量250 ml/s条件下で、RANS乱流モデルは層流シミュレーションとほとんど差がない結果を示し、術前の上気道幾何形状では乱流効果が有意にないことを示している。

ABSTRACT

In this paper, investigations are conducted using Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence models to investigate the importance of turbulence modelling for nasal inspiration at a constant flow rate of 250 ml/s. Four different, standard turbulence models are tested in a model geometry based on pre-operative CT images of a selected obstructive sleep-apnea syndrome (OSAS) patient. The results show only minor differences between them. Furthermore, the turbulence models do not give significantly different results than a laminar flow model. Thus, the main conclusion is that effects of turbulence are insignificant in CFD modelling of the airflow in the pre-operative model of the upper airways of the chosen patient.

研究の動機と目的

• 異なるRANS乱流モデルが人間の上気道における気流シミュレーションに与える影響を評価すること。
• 患者特異的上気道モデルにおける乱流流れの結果と層流シミュレーションの結果を比較すること。
• 乱流モデル化が鼻腔内の血行動態的または流れ特性に顕著に影響を及ぼすかどうかを特定すること。
• 閉塞性睡眠時低呼吸症候群（OSAS）患者の上気道気流CFDモデリングにおいて、層流仮定が妥当であるかどうかを評価すること。
• 患者特異的CFDシミュレーションにおける計算効率と精度のバランスについての指針を提供すること。

提案手法

• 閉塞性睡眠時低呼吸症候群（OSAS）患者の術前CT画像から、3次元患者特異的上気道幾何形状を構築した。
• 4つの標準的RANS乱流モデル（標準k-ε、RNG k-ε、実用的k-ε、k-ω SST）を適用した。
• 一定の吸気流量250 ml/sでCFDシミュレーションを実施し、境界条件を一貫させた。
• 同一の幾何形状と境界条件を用いて、RANSモデルの結果と層流シミュレーションの結果を比較した。
• 流れのパターン、速度分布、気道全体の圧力損失を分析した。
• 構造化および非構造化メッシュ生成技術を用いた標準CFDソルバーを用い、数値的安定性と精度を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるRANS乱流モデルは、人間の上気道における予測気流パターンにどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 同じ患者特異的幾何形状において、層流と乱流シミュレーションの間で血行動態的パラメータ（例：速度、圧力）にどのような差があるか？
• RQ3 乱流効果が、上気道CFDシミュレーションにおいて複雑なRANSモデルの使用を正当化するほど顕著か？
• RQ4 乱流モデルの選定が、流れ分離や停止領域といった臨床的関連の高い流れ特徴を変化させるか？
• RQ5 OSAS患者の術前上気道モデルのCFDシミュレーションにおいて、層流仮定を信頼的に使用できるか？

主な発見

• 4つのRANS乱流モデルは、速度分布および圧力分布にわずかな差異を除き、ほぼ同一の流れ場予測を示した。
• 流れの構造および圧力損失の観点から、RANSモデルの結果と層流シミュレーションの結果に顕著な差は認められなかった。
• 250 ml/sの吸気流量条件下で、上気道モデル全体の流れ特性に、乱流モデル化の影響はほとんどなかった。
• 層流仮定は、すべてのRANSモデルの結果と定量的・定性的に一貫した結果をもたらした。
• 本研究では、特定の術前上気道幾何形状および指定された流量条件下では、乱流効果が有意にないことが結論づけられた。
• この患者特異的症例において、正確性を損なわずに計算コストを削減するため、層流モデルの使用が可能である。