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

Abstract

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.Regarding the challenge of the complex geometrical computational domains, a number of studies used patient specific geometries to simulate in vivo flows by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. These studies may be classified according to two basic criteria, namely the type of the computational domain used and the geometrical accuracy between the computational and the physical domain. The majority of these studies starting from medical imaging data produce an unstructured computational domain that conforms to the geometry of the human organ. However, a number of studies, including this study, have shown that unstructured grids provide less accurate solutions than structured grids.An innovation of this thesis is the introduction of a new method that produces a structured grid with absolute fidelity to the particular patient specific geometry. Starting from data obtained from a medical imaging examination, a surface triangulation is formed in an STL format. From this surface triangulation a high quality multi-block structured grid that conforms to the surface is generated. The proposed method is applicable to vessel bifurcation geometries inside the human body and generates high quality computational domains that can be combined with computational fluid dynamics (CFD) and computational fluid particle dynamics models (CFPD). For the evaluation of the proposed method a series of comparisons between different types of computational domains (unstructured grids and hybrid) were carried out. These comparisons confirmed the superiority of structured grid on many levels.Regarding the modelling of particle transport and deposition, it should be noted that it tends to be a necessity, especially in situations where direct experimental studies are limited in the determination of the total deposition and in cases where experimental studies are either prohibited due to ethical reasons or impossible due to extremely complex flow fields.In this thesis a model of computational fluid and particle dynamics previously proposed is developed further in order to simulate time depending particles flows. In the proposed two-phase (fluid – particles) model the solution of the Particle Transfer Equation (PTE) is done by a fully Eulerian approach based on computational fluid dynamics methods for the fluid and the particulate phase. The validation of the newly imported term of the time variation is achieved by the comparison with a problem that has analytical solution, while the incorporation of particle inertia in the Particle Transfer Equation (PTE) is done according to a previously developed and validated model. Overall the advantages of the Euler approach, combined with the newly imported term of time variation produce a powerful computational tool that may provide insight for particle transport and deposition under time depended flows and may contribute in the interpretation of the behaviour of particle flows inside the respiratory system.To our knowledge, the proposed method is the first that enables absolute shape conforming structured grid generation of a patient-specific complex geometrical shape starting from medical imaging data. Additionally this is the first time that the transport and deposition of heavy, inert particles are predicted under time depended flows using an Eulerian formalism of the particles transport equation. As shown in a number of practical applications that we have undertaken, the proposed grid generation method generates high quality computational domains, applicable to complex geometries of human organs, which combined with CFD and CFPD models, can provide an accurate, patient specific framework, for medical diagnosis and prognosis. Furthermore the combination of the efficient grid generation method with the particle transport and deposition Eulerian model can contribute to the interpretation of particle transport and deposition under highly time depended flows in the respiratory system, offering better physical insight and serving as a tool for the design and optimization of biomedical applications

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. Όσον αφορά την δημιουργία υπολογιστικών χωρίων εντός πολύπλοκων γεωμετρικών, ένας σημαντικός αριθμός παλαιότερων μελετών χρησιμοποίησαν πραγματικές γεωμετρίες για την προσομοίωση ροών μέσω της Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής (CFD). Αυτές οι μελέτες μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με το είδος του χρησιμοποιούμενου υπολογιστικού πλέγματος και τη γεωμετρική πιστότητα μεταξύ του πλέγματος και της φυσικής γεωμετρίας. Η πλειοψηφία αυτών των μελετών ξεκινώντας από δεδομένα ιατρικής απεικόνισης παράγουν ένα μη δομημένο υπολογιστικό πλέγμα που συμμορφώνεται με τη γεωμετρία του ανθρώπινου οργάνου. Ωστόσο, μια σειρά από μελέτες, συμπεριλαμβανομένης της παρούσας διατριβής, έχουν δείξει ότι τα μη δομημένα πλέγματα παρέχουν λιγότερο ακριβείς λύσεις από ό, τι τα δομημένα. Μια καινοτομία της διατριβής είναι η εισαγωγή μιας νέας μεθόδου που συνδυάζει την παραγωγή δομημένου πλέγματος με απόλυτη πιστότητα στην συγκεκριμένη γεωμετρία του ασθενούς. Ξεκινώντας από δεδομένα που λαμβάνονται από μια ιατρική εξέταση απεικόνισης, γίνεται η ανακατασκευή της γεωμετρίας του ανθρώπινου οργάνου καταλήγοντας σε μια τριγωνοποιημένη επιφάνεια (αναπαράσταση επιφάνειας τύπου STL). Από αυτή την επιφανειακή τριγωνοποίηση δημιουργείται ένα υψηλής ποιότητας δομημένο πλέγμα που συμπίπτει απόλυτα με την αρχική γεωμετρία. Για την αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθόδου εκτελέστηκαν μία σειρά από συγκρίσεις μεταξύ διαφορετικών τύπων πλέγματος (μη δομημένα και υβριδικά πλέγματα). Οι συγκρίσεις επιβεβαίωσαν την υπεροχή του δομημένου πλέγματος σε πολλά επίπεδα. Όσον αφορά την πρόκληση της μοντελοποίησης της μεταφοράς και εναπόθεσης σωματιδίων, πρέπει να σημειωθεί ότι η μοντελοποίηση της μεταφοράς και εναπόθεσης σωματιδίων τείνει να είναι ζήτημα αναγκαιότητας, ειδικά σε περιπτώσεις όπου η άμεση πειραματική μελέτη περιορίζεται σε προσδιορισμό της συνολικής εναπόθεσης και σε περιπτώσεις όπου οι πειραματικές μελέτες είτε απαγορεύονται λόγω ηθικών λόγων ή είναι αδύνατες λόγω των εξαιρετικά πολύπλοκων πεδίων ροής. Σε αυτή τη διατριβή ένα μοντέλο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής και δυναμικής σωματιδίων που προτάθηκε παλαιότερα αναπτύχθηκε περαιτέρω, προκειμένου να προσομοιώσει χρονικά μεταβαλλόμενες ροές σωματιδίων. Στο προτεινόμενο διφασικό (υγρό-σωματίδια) μοντέλο ο χειρισμός της εξίσωσης που διέπει τη μεταφορά των σωματιδίων (PTE) γίνεται με βάση μια πλήρως Eulerian προσέγγιση που βασίζεται σε τεχνικές υπολογιστικής ρευστομηχανικής, τόσο για τον αέρα όσο και για την φάση των σωματιδίων. Η επικύρωση του νεοεισαγόμενου όρου της χρονικής μεταβολής επιτυγχάνεται μέσω συγκρίσεων με ένα πρόβλημα που έχει αναλυτική λύση, ενώ η ενσωμάτωση της αδράνειας των σωματιδίων στην εξίσωση μεταφοράς (ΡΤΕ) γίνεται σύμφωνα με το προηγουμένως αναπτυχθέν και επικυρωθέν μοντέλο. Συνολικά, τα πλεονεκτήματα της θεώρησης Euler, σε συνδυασμό με τον νέο εισαγόμενο όρο της χρονικής μεταβολής δίνουν ένα ισχυρό υπολογιστικό μοντέλο που μπορεί να παρέχει πληροφορία για τη μεταφορά και εναπόθεση των σωματιδίων υπό ασταθείς ροές και μπορεί να συμβάλει στην ερμηνεία της συμπεριφοράς των σωματιδίων κάτω από εξαιρετικά ασταθείς ροές στο αναπνευστικό σύστημα.Οι μέθοδοι που έχουν αναπτυχθεί σε αυτή τη διατριβή έχουν εφαρμοστεί στη μελέτη τριών περιπτώσεων. Στην εκτίμηση της ροής εντός ανευρύσματος κοιλιακής αορτής, στη μελέτη μιας διακλάδωσης της κοιλιακής αορτής και στην αξιολόγηση της μεταφοράς και εναπόθεσης σωματιδίων υπό πεδίο ροής υψίσυχνου ταλαντευτικού αερισμού και κανονικής αναπνοής. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τις παραπάνω μελέτες δείχνουν ότι με την προτεινόμενη μεθοδολογία μπορούν να ληφθούν ακριβείς προβλέψεις της μεταφοράς και εναπόθεσης αδρανών σωματιδίων αερολυμάτων σε μη μόνιμες ροές εντός πολύπλοκων γεωμετριών. Εν κατακλείδι, η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση μοντελοποίησης εξατομικευμένων περιπτώσεων ασθενών με χρήση της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής και δυναμικής σωματιδίων(CFPD)