[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究通过基于术前CT扫描获取的患者特异性模型，调查了在计算流体动力学（CFD）模拟鼻腔气流时湍流模型的影响。在恒定吸气流量250 ml/s条件下，雷诺平均化（RANS）湍流模型与层流模拟结果差异可忽略，表明在此术前上气道解剖结构中，湍流效应可忽略不计。

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.

研究动机与目标

• 评估不同RANS湍流模型对人类上气道气流模拟的影响。
• 比较在患者特异性上气道模型中，湍流与层流模拟的气流结果。
• 确定湍流建模是否显著影响鼻腔通道中的血流动力学或流动特性。
• 评估在阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）患者上气道气流CFD建模中使用层流假设的有效性。
• 为患者特异性CFD模拟中鼻腔气流计算效率与精度的权衡提供指导。

提出的方法

• 从阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）患者的术前CT图像中构建三维患者特异性上气道几何模型。
• 应用四种标准RANS湍流模型：标准k-ε、RNG k-ε、可实现k-ε和k-ω SST。
• 在恒定吸气流量250 ml/s下进行CFD模拟，以确保边界条件一致。
• 将RANS模型的结果与采用相同几何结构和边界条件的层流模拟结果进行比较。
• 分析气道模型中的流动模式、速度分布和压力降。
• 使用标准CFD求解器，结合结构化与非结构化网格技术，以确保数值稳定性和准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同RANS湍流模型如何影响人类上气道中预测的气流模式？
• RQ2 在相同患者特异性解剖结构中，层流与湍流模拟在血流动力学参数（如速度、压力）上存在何种差异？
• RQ3 湍流效应是否显著到足以证明在上气道CFD模拟中使用复杂RANS模型的合理性？
• RQ4 湍流模型的选择是否会改变临床相关的流动特征（如流动分离或停滞区）？
• RQ5 在OSAS患者术前上气道模型的CFD模拟中，是否可以可靠地使用层流假设？

主要发现

• 四种RANS湍流模型产生的流场预测几乎完全相同，仅在速度和压力分布上存在微小差异。
• 在流动结构和压力降方面，RANS模型与层流模拟结果之间未观察到显著差异。
• 在250 ml/s吸气流量下，湍流建模对上气道模型整体流动特性的影响可忽略不计。
• 层流假设得出的结果在定量和定性上均与所有RANS模型结果一致。
• 本研究结论认为，在此特定术前上气道解剖结构及给定流量条件下，湍流效应可忽略不计。
• 对于此患者特异性病例，采用层流模型可显著降低计算成本，且不会影响精度。