CFD Study of the Flow Field and Particle Dispersion and Deposition in the Upper Human Respiratory System

Das Einatmen von Partikeln in den menschlichen Körper hat zwei verschiedene Aspekte im Hinblick auf die Gesundheit des Menschen. Einerseits existieren schädliche Partikel wie beispielsweise Feinstaub in der Umwelt, der nach Eintreten in den menschlichen Körper Krankheiten wie Herzerkrankungen und Erkrankungen der Atemwege auslösen kann, und der sogar zum Tod führen kann. Hier sind insbesondere Partikel, die kleiner als 2,5 µm sind, relevant. Andererseits ist es in der medizinischen Therapie einiger Atemwegerkrankungen wünschenswert, gezielt Partikel den Atemwegen zuzuführen. Die medikamentöse Aerosol-Therapie, bei der das Medikament durch den nasalen oder oralen Atemweg in die Lunge oder einen anderen Ort des Atemtrakts gebracht wird, wird gern verwendet, um Krankheiten wie z.B. Asthma oder chronisch obstruktive Lungenerkrankungen zu behandeln. Diese Therapie hat den Vorteil der kleinen Dosierung, der minimalen systemischen Nebenwirkungen und der schnellen Wirkung. Das Medikament soll hier tief in die Lunge, in der die Krankheit auftritt, eindringen. Die typische Größe dieser Partikel liegt im Bereich von 1 bis 5 µm. Fokus ist die gezielte Steuerung des Medikaments in spezielle Regionen wie beispielsweise zu einer Tumorposition, sodass Nebenwirkungen durch Ablagerung in anderen Regionen vermieden werden. Ein verbessertes Verständnis des Gesamtprozesses beinhaltet die Kenntnis der charakteristischen Luftströmung und des Partikeltransports sowie deren gegenseitige Beeinflussung. In der vorliegenden Arbeit, in der die Luftströmung sowie die Partikelverteilung und -ablagerung in den menschlichen oberen Atemwegen untersucht werden, werden vier verschiedene Geometrien verwendet: die verengte Luftröhre, das auf einem Gussstück basierende Mund-Rachen-Modell, das auf Computertomographie (CT) basierende Mund-Rachen-Modell und das auf CT-Skans basierende Nasenhöhlen-Modell. Die Software NeuRa2 wird zur Generierung des numerischen Oberflächengitters verwendet und ANSYS ICEM CFD-11.0, um Volumengitter zu erzeugen. Ein-Weg- und Zwei-Wege-Kopplung zwischen der Gasphase und den Partikeln werden in der Arbeit in Abhängigkeit verschiedener Partikelvolumenanteile angewendet. Dreidimensionale inkompressible Navier-Stokes (N-S) Gleichungen werden zur Beschreibung der Luftströmung verwendet. Large Eddy Simulation (LES) wird zur Modellierung der turbulenten Strömung herangezogen, und das Smagorinsky Feinskalen-Modell sowie das dynamische Smagorinsky Modell dienen der Beschreibung der kleinen turbulenten Skalen. Unter der Annahme eines großen Partikel-Luft Dichteverhältnisses, der Vernachlässigbarkeit der Partikelrotation und der Kollision zwischen den Partikeln sowie der Annahme, dass die Trägheitskraft die Partikelbewegung dominiert, werde Lagrange-Gleichungen herangezogen, um die Bewegung der Partikel zu modellieren. Im Falle von Partikeln, die kleiner als ein Mikrometer sind, wird die Brownsche Kraft zusätzlich berücksichtigt. Zur Lösung der Gleichungen wird die Software-Plattform OpenFOAM 1.5 benutzt, für die neue Solver entwickelt werden, die die Luftströmung mit LES und die Teilchenbewegung mit Hilfe einer Lagrange-Formulierung lösen können. Abhängig von der Partikelbeladung wird Ein-Weg- oder Zwei-Wege-Kopplung mit oder ohne Berücksichtigung des Einflusses des Partikelimpulses auf die Gasphase verwendet. Zunächst wird die Luftgeschwindigkeit an der Mittellinie und in unterschiedlichen Querschnitten stromabwärts der Glottis in der verengten Luftröhre mit numerischen Ergebnissen und experimentellen Daten aus der Literatur verglichen, hier wird ein Modell der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) bei niedriger Reynolds-Zahl, das k-omega; Modell, verwendet. Die hier verwendete Methode verbessert die vorliegenden Literaturergebnisse, sodass sie die Basis für weitere Berechnungen in den verbleibenden Geometrien bildet. Die Luftströmung wird im Gussstück-basierten Mund-Rachen-Modell für drei verschiedene Inhalationsgeschwindigkeiten simuliert. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass das Geschwindigkeitsfeld der instationären Luftströmung sehr stark vom mittleren Geschwindigkeitsfeld abweicht, dies gilt insbesondere für das Auftreten von Wirbeln. Die numerische Simulation zeigt, dass die Partikelablagerung von der Partikelgröße, ihrer Ausgangsposition, der Inhalationsgeschwindigkeit sowie von der Geometrie abhängt. Turbulenz und Existenz von Rezirkulationszonen haben ebenfalls großen Einfluss auf den Partikeltransport. Eine polydisperse Partikelverteilung, die aus Messungen an einem Trockenpulver-Inhalator zur Verfügung steht, wird ebenfalls zur Simulation herangezogen. In diesem Fall wird Zwei-Wege-Kopplung verwendet. Polydisperse Partikelablagerung zeigt im Vergleich zur monodispersen Partikelablagerung stark unterschiedliche Charakteristika. Deshalb ist es notwendig, polydisperse Partikelverteilung und Zwei-Wege-Kopplung zu verwenden, wenn die reale medikamentöse Dosis eines Hubs berücksichtigt wird, die bei der klinischen Behandlung Anwendung findet. Um das Strömungsfeld bei einer realistischeren zeitabhängigen Inhalation zu untersuchen, wird eine numerische Simulation für das Gussstück-basierte Mund-Rachen-Modell unter den gleichen Bedingungen durchgeführt. Die Untersuchung zeigt, dass das Strömungsfeld signifikant verschieden ist in der beschleunigenden und der verlangsamenden Phase der Inhalation: In der Beschleunigungsphase ist die Luftströmung laminar während sie in der verlangsamenden Phase eher turbulent ist. Zur Untersuchung des Einflusses geometrischer Eigenschaften auf die Partikelablagerung werden numerische Simulationen für das CT-basierte Mund-Rachen-Modell durchgeführt. Im Ergebnis ist das Strömungsfeld im CT-basierten Mund-Rachen-Modell sehr verschieden von dem im Gussstück-basierten Mund-Rachen-Modell. Obwohl das Geschwindigkeitsfeld sowohl im mittleren als auch im zeitabhängigen Fall ähnlich ist, hat das Strömungsfeld ein sehr kompliziertes Wirbelfeld mit hoher räumlicher und zeitlicher Dynamik. Partikel der Größe 2 µm können den Pharynx passieren, sich in der Luftröhre ablagern oder weiter in die Lungenregion vordringen. Um die Eigenschaften des Geschwindigkeitsfelds in der Nasenhöhle zu untersuchen, wurde ein geometrisches Modell der Nasenhöhle aus CT-Skans konstruiert. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass die Luft durch die Hauptluft-Passage der Nasenhöhle fließt und nur wenig Luft die Spitzen der Nasengänge und der olfaktorischen Region erreicht