Numerical simulation of impaction - deposition of micro-nano particles in internal complex geometry aerosol flows

Abstract

Η παρούσα διατριβή μελετά τη μεταφορά και εναπόθεση σωματιδίων σε ροές αερολύματος στο εσωτερικό πολύπλοκων γεωμετριών. Για να προσεγγιστεί αριθμητικά το φυσικό πρόβλημα της μεταφοράς και εναπόθεσης σωματιδίων σε ροές αερολύματος πολύπλοκης γεωμετρίας, πρέπει κανείς να αντιμετωπίσει την πρόκληση της δημιουργίας ενός υπολογιστικού χωρίου σύνθετης γεωμετρίας και υψηλής ποιότητας. Επιπλέον, η μεταφορά και εναπόθεση σωματιδίων πρέπει να αναπαρασταθεί με έναν φυσικά έγκυρο τρόπο με τη χρήση μερικών διαφορικών εξισώσεων. Στην παρούσα διατριβή προτείνεται μια νέα μέθοδος για την παραγωγή ενός υψηλής ποιότητας δομημένου πλέγματος, το οποίο αναπαράγει με πιστότητα την γεωμετρία των ανθρώπινων οργάνων, ξεκινώντας από δεδομένα ιατρικά απεικόνισης. Επιπλέον, διερευνώνται οι μηχανισμοί που διέπουν τις αλληλεπιδράσεις σωματιδίων - ρευστών χρησιμοποιώντας τεχνικές της μηχανικής των ρευστών και εισάγεται μια περαιτέρω βελτίωση σε ένα ήδη υπάρχον μοντέλο μεταφοράς και εναπόθεσης σωματιδίων.

The numerical simulation of impaction – deposition of micro-nano particles in internal complex geometry aerosol flows is the main objective of this dissertation. In order to numerically approach the physical problem of particle transfer and deposition in internal aerosol flows of complex geometries, one has to deal with the challenge of creating a complex geometrical computational domain that permit a numerical simulation to be efficiently performed. Furthermore the particular Particle Differential Equations (PDEs) describing particle transport and deposition in an accurate, elaborated and physically valid way have to be formulated and solved, as a rule numerically. In this study a new method that produces a high quality structured grid, which faithfully reproduces the geometry of the human organs, starting from medical imaging data is proposed. Furthermore, the investigation of the mechanisms that govern particle transport and deposition by using techniques of fluid mechanics and the introduction of a further improvement to an existing transport and deposition particle model is done.