[논문 리뷰] CFD simulations of turbulent flow in the human upper airways

Elin Aasgrav, Sverre Gullikstad Johnsen외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 08.

Inhalation and Respiratory Drug Delivery참고 문헌 7인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 흡입 속도 250 ml/s에서 코 공기역학 유동에 대한 CFD 시뮬레이션에서 난류 모델링의 영향을 환자 특화 모델(전수술 CT 촬영에서 유도된)을 사용하여 조사한다. 라미너 유동 시뮬레이션과 비교할 때 RANS 난류 모델은 유의미한 차이를 보이지 않아, 이 전수술 상부기통 해부학적 구조에서 난류 효과는 무시할 만하다는 것을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인간 상부기통에서 다양한 RANS 난류 모델의 공기역학 시뮬레이션에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 환자 특화 모델에서 라미너 유동 시뮬레이션과 난류 유동 결과를 비교하기 위해.
• 난류 모델링이 코 경로에서 혈역학적 또는 유동 특성에 유의미한 영향을 미치는지 확인하기 위해.
• 폐쇄성 수면 무호흡 증후군 환자를 대상으로 한 상부기통 공기역학 유동 CFD 모델링에서 라미너 유동 가정의 타당성을 평가하기 위해.
• 환자 특화 CFD 시뮬레이션에서 계산 효율성과 정확성 간의 균형을 제안하기 위해.

제안 방법

• 폐쇄성 수면 무호흡 증후군(осас) 환자의 전수술 CT 영상에서 3차원 환자 특화 상부기통 해부학적 기형을 구축하였다.
• 표준 RANS 난류 모델 네 가지를 적용: 표준 k-ε, RNG k-ε, 실현 가능한 k-ε, k-ω SST.
• 일관된 경계 조건을 확보하기 위해 일정한 흡입 유량 250 ml/s에서 CFD 시뮬레이션을 수행하였다.
• 동일한 기하학적 구조와 경계 조건을 사용하여 RANS 모델 결과와 라미너 유동 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
• 유동 패턴, 속도 분포, 기도 전역의 압력 강하를 분석하였다.
• 구조적 및 비구조적 메시 기법을 사용하여 수치적 안정성과 정확도를 확보한 표준 CFD 솔버를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 RANS 난류 모델은 인간 상부기통에서 예측된 공기역학적 흐름 패턴에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 동일한 환자 특화 기하학적 구조에서 라미너 및 난류 유동 시뮬레이션 간의 혈역학적 매개변수(예: 속도, 압력)의 차이는 무엇인가?
• RQ3 난류 효과가 상부기통 CFD 시뮬레이션에서 복잡한 RANS 모델의 사용을 정당화할 정도로 유의미한가?
• RQ4 난류 모델의 선택이 유동 분리 또는 정지 영역과 같은 임상적으로 관련된 흐름 특성을 변화시키는가?
• RQ5 폐쇄성 수면 무호흡 증후군 환자의 전수술 상부기통 모델에 대해 라미너 유동 가정을 신뢰성 있게 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 네 가지 RANS 난류 모델은 거의 동일한 유동장 예측을 보였으며, 속도 및 압력 분포에서 미미한 차이만 관찰되었다.
• 유동 구조 및 압력 강하 측면에서 RANS 모델 결과와 라미너 유동 시뮬레이션 결과 간에 유의미한 차이가 관찰되지 않았다.
• 250 ml/s 흡입 속도 조건에서 이 상부기통 모델에서 난류 모델링은 전체 유동 특성에 거의 영향을 주지 않았다.
• 라미너 유동 가정은 모든 RANS 모델 결과와 정량적·정성적으로 일치하는 결과를 산출하였다.
• 이 연구는 주어진 흐름 조건 하에서 이 특정 전수술 상부기통 해부학적 기형에서 난류 효과가 무시할 만하다고 결론내린다.
• 이 환자 특화 사례에서는 정확도를 훼손하지 않고도 라미너 유동 모델을 사용함으로써 계산 비용을 줄일 수 있다.