Fluid-structure interaction modelling of plug propagation in compliant airways
Esnek havayollarında plak ilerlemesinin akışkan-yapı etkileşimi ile modellemesi
- Tez No: 753756
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN MURADOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 82
Özet
Akciğer, iç yüzeyi sıvıyla kaplı, deforme olabilen, değişken boyutlardaki kanalların birbirine bağlanmasıyla oluşan en büyük organdır. Bu tüplerin kesit alanı her jenerasyonda azalıp, bronşların alveollara bağlandığı yerlerde mikroskobik düzeylere inmektedir. Yüksek jenerasyonlardaki tüplerin yüzeyindeki sıvı katman Plateau-Rayleigh kararsızlığı etkisiyle sıvı bir tıkaç oluşturarak solunumu geçici olarak durdurabilmektedir. Bu olaya havayolu kapanması denmekte olup, sıvı katman kalınlığı belirli bir değeri geçtiği zaman gerçekleşmektedir. Sağlıklı insanlarda bu sıvı katmanın kalınlığı, havayolu kalınlığının %2'si ile %4'ü arasındadır. Ancak bu oran bazı patolojik durumların etkisiyle %20'ye kadar çıkabilmektedir. Havayolunu yeniden açmak için, daha önce oluşmuş olan sıvı tıkaç solunum esnasında şiddetle parçalanır. Hem havayolu kapanması hem de yeniden açılması havayolu duvarındaki epitel dokuya zarar verebilecek mertebede mekanik gerilmeler yaratır. Sıvı plak oluşumu ve parçalanması daha önce deneysel ve hesaplamalı olarak çalışıldı. Ancak daha önceki hesaplamalı modellerde çoğunlukla havayolu rijit olarak kabul edildi. Özellikle havayolu kapanmasının olduğu esnek ve küçük boyutlu havayollarında esnek hava yolu duvarı kapanma ve yeniden açılma sırasında tamamıyla çökebilir. Stetoskop ile işitilen ve doktorlar tarafından tanı koymada kullanılan çatırtı seslerinin sıvı tıkaç parçalanması esnasında olıuştuğu ve akışkan-katı etkileşiminden ciddi ölçüde etkilendiği düşünülmektedir. Bu durumda hava yolu elastisitesini ve akışkan-katı etkileşimini dikkate almak oldukça önemlidir. Bu tez kapsamında bir keskin arayüz daldırılmış sınır yöntemi geliştirilmiş olup, bu yöntem sıvı tıkaç oluşumunun ve parçalanmasının esnek havayollarındaki etkisini incelemek maksadıyla bir arayüz inceleme yöntemiyle birleştirilmiştir. Daldırılmış sınır yöntemi öncelikle silindirik bir borudaki küresel bir cisim üzerindeki tek fazlı akış için denendi. Sonuçlar Ansys Fluent simülasyonlarıyla tutarlılık gösterdi. Ayrıca sonuçların akış denklemlerini çözmek için kullanılan sabit hacim yönteminin ikinci mertebeden uzaysal doğruluğunu koruduğu gösterildi. Daha sonrasında insan akciğerinin 9. jenerasyonu için sıvı tıkaç oluşumu ve parçalanması detaylı olarak simüle edildi. Havayolu duvarı sonsuz uzunlukta, ince kalınlıkta ve geçirimsiz olarak kabul edildi. Havayolu duvarı doğrusal elastik teoriye uyumlu olarak modellendi. Sonuçlar sıvı tıkaçın ilerlemesi, tıkaçın parçalanması esnasında ve sonrasında şiddetli akışkan-yapı etkileşimi olduğunu gösterdi. Bu tez kapsamında sunulan çalışma ileride üç boyutlu durumun ve havayolu kapanıp yeniden açılması sırasında gelişen akustik sinyallerin incelenmesinin temelini oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
The lung is the largest organ that consists of many generations of liquid-lined compliant tubes. Cross-section of airways decreases at each generation down to microscopic scale at the terminal bronchioles that connect to alveoli. The liquid lining may undergo Plateau-Rayleigh instability creating a liquid plug that obstructs gas exchange for all connected distal parts of the lung. The closure occurs when the liquid film thickness exceeds a critical threshold value. Liquid film thickness is about 2-4% of airway diameter in healthy conditions but may increase up to 20% in pathological conditions. The liquid plug is ruptured violently to reopen the airways during the inspiration. Both airway closure and reopening create large mechanical stresses on the airway wall and may fatally damage the epithelial cells. The plug propagation and rupture have been studied both experimentally and computationally, but the airway wall has been usually assumed to be rigid in the previous computational models. However, especially the small airways where the plug formation is more likely to occur are highly flexible and compliant tubes that can completely collapse during the closure and reopening events. Moreover, the crackles sound that is detected by a stethoscope and routinely used for diagnostics examinations by physicians are believed to be created during the plug rupture and subsequently modified by strong fluid-structure interactions. It is therefore of fundamental importance to take the airway wall elasticity into account and examine fluid-structure interactions. In the present thesis, a sharp interface immersed boundary method is developed and combined with the front-tracking method to investigate the effects of wall elasticity on liquid plug propagation and rupture in lower airways. The immersed boundary method is first applied to simulate a single-phase flow past a solid sphere in a circular pipe, and the results are found to be in good agreement with the results obtained by Ansys-Fluent. It is also demonstrated that the immersed boundary method preserves the second-order spatial accuracy of the finite volume method used to solve the flow equations. Then extensive simulations are performed to investigate the fluid-structure interactions in plug propagation and rupture in a compliant tube representing the 9th generation of an adult lung. The tube is assumed to be infinitely long, thin-walled, and impermeable. The wall elasticity is modeled using linear elastic theory. The results show that there exist strong fluid-structure interactions during the plug propagation, plug rupture, and post-rupture phases. The present study lays the foundation for future work in which a full three-dimensional airway model will be developed, and acoustic signals generated during the airway closure and reopening will be examined.
Benzer Tezler
- A study on ice−structure interaction modelling for collision assessment of marine structures and ice-ridges
Başlık çevirisi yok
SERDAR TURGUT İNCE
Doktora
İngilizce
2016
Gemi MühendisliğiPusan National UniversityDeniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. PAIK JEOM KEE
- Modelling of physical and numerical behaviors of undersea PE natural gas pipes against wave and current effects
Akım ve dalga koşulları altında denizaltı PE doğalgaz borularının davranışlarının nümerik ve fiziksel modellemesi
UĞUR ÇALIŞKAN
Doktora
İngilizce
2014
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İLHAN AVCI
- Nonlineer sıvı-yapı-zemin etkileşimin modellenmesi ve silindirik tankların dinamik davranışlarının değerlendirilmesi
Modelling of nonlinear fluid-structure-soil interaction and evaluation of dynamic response of cylindrical tanks
KAYAHAN AKGÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NAMIK KEMAL ÖZTORUN
DOÇ. DR. YASİN FAHJAN
- A numerical approach for predicting hemodynamic characteristics of 3D aorta geometry under pulsatile turbulent blood flow conditions using fluid-structure interaction
Sıvı-yapı etkileşimini kullanarak pulsatil türbülanslı kan akışı koşullarında 3B aort geometrisinin hemodinamik karakteristiklerini öngörmek için sayısal bir yaklaşım
AHMET SAAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
BiyomühendislikBoğaziçi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİM KUNT ATALIK
- Coriolis tipi kütlesel debimetrelerde basınç kaybının modellenmesi
Modelling pressure loss of coriolis type flowmeter
ATA EFEKAN BOZKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU