Υπολογιστική μελέτη ροής ρευστού με σωματίδια σε διακλαδώσεις με μεθοδολογία Euler

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μελετήθηκε η ροή αερολύματος σε διακλαδούμενους αγωγούς με μεθόδους υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Στις προσομοιώσεις θεωρήθηκε μονοδιάσπαρτο αερόλυμα με εύρος διαμέτρου σωματιδίων από 1 έως 10 μm, για το οποίο η αδράνεια και η βαρύτητα αποτελούν μη αμελητέους μηχανισμούς εναπόθεσης. Για το λόγο αυτό, οι μηχανισμοί αυτοί συμπεριλήφθηκαν στη Γενική Εξίσωση Δυναμικής Σωματιδίων (ΓΕΔΣ) με περιγραφή κατά Euler, η οποία περιγράφει τη μεταφορά και διάχυση του αερολύματος. Υπάρχοντες κώδικες του εργαστηρίου και εμπορικό πακέτο λογισμικού χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή της γεωμετρίας και του πλέγματος και, στη συνέχεια, για την εύρεση του πεδίου ροής του ρευστού και της συγκέντρωσης των σωματιδίων. Υπολογίστηκε το ολικό και τοπικό κλάσμα εναπόθεσης των σωματιδίων στις γενιές G3-G4 του αναπνευστικού συστήματος με βάση το μοντέλο Weibel. Γεωμετρικές παράμετροι του προβλήματος θεωρήθηκαν η γωνία της διακλάδωσης (30˚, 60˚ και 90˚), το σχήμα της διατομής (τετραγωνικό και κυκλικό) και η συμμετρία των διακλαδούμενων αγωγών ως προς τον κύριο αγωγό. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση που έχουν στην εναπόθεση παράμετροι της ροής, όπως ο αριθμός Reynolds (εύρος μεταξύ 100 έως 1788) και το προφίλ ταχύτητας στην είσοδο του αγωγού (ομοιόμορφο και παραβολικό). Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση που έχουν το μέγεθος των σωματιδίων και η βαρύτητα. Τα αποτελέσματα επαληθεύτηκαν με πειραματικά δεδομένα πάνω σε μονή συμμετρική διακλάδωση. Παρατηρήθηκε πως, στην περίπτωση της συμμετρικής διακλάδωσης, η εναπόθεση εντοπίζεται κυρίως στην περιοχή της καρίνας, γεγονός που αποδίδεται στην αδρανειακή πρόσκρουση των σωματιδίων. Απόρροια αυτού είναι ότι η εναπόθεση εξαρτάται ουσιαστικά από ένα μόνο παράγοντα, τον αριθμό Stokes, με τις γεωμετρικές και ροϊκές παραμέτρους να έχουν δευτερεύουσα σημασία. Για τις ασύμμετρες διακλαδώσεις, λόγω μειωμένης αδρανειακής πρόσκρουσης στην καρίνα, παρατηρήθηκε ότι οι προαναφερθείσες παράμετροι επηρεάζουν αισθητά πλέον την εναπόθεση, η οποία όμως περιορίζεται σε αρκετά χαμηλότερα επίπεδα σε σχέση με τις συμμετρικές διακλαδώσεις.

In this work, the flow of aerosols in bifurcations was studied using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. Monodisperse aerosols with size range between 1 to 10 μm were considered, for which the inertial and gravitational effects cannot be neglected. Therefore, these mechanisms were incorporated in the General Dynamics Equation (GDE) of particles, which describes the convection and diffusion of particles in an Eulerian formulation. In-house codes and commercial software were used to create the geometry and grid, and subsequently solve for the fluid flow field and the particle concentration. In particular, the total and local deposition efficiencies and patterns of aerosol particles in bifurcating airways G3 - G4 of Weibel’s respiratory tract model were calculated. The geometric parameters considered consisted of the bifurcation angle (30˚, 60˚ and 90˚), the cross-section (square and circular) and the symmetry of the secondary airways with respect to the main airway. Furthermore, the effect of flow parameters, such as the fluid Reynolds number (ranging between 100 and 1788) and the velocity profile at the inlet of the airway were also studied. Finally, the effect of particle size and gravity were considered. The results were validated with experimental data on single bifurcating airways. It was observed that, in the case of symmetric bifurcations, the deposition of particles was located mainly at the area of the carinal ridge, due to inertial impaction. As a result, deposition was found to be depended mainly on a single factor, the Stokes number, whereas the geometric and flow parameters had a minor effect on the deposition efficiency. In the case of asymmetric bifurcations, due to the reduced inertial impaction mechanism, the aforementioned parameters seem to be of increased importance and affect deposition efficiency. However, deposition efficiency was found to be considerably smaller for the asymmetric cases, in comparison to the symmetric ones.