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: Hava yolları, Sınır yönetimi, Airlines, Border management
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
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
- Diesel motorları yakıt püskürtme sistemlerinin dinamik simülasyonu
Başlık çevirisi yok
İRFAN KARAGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Makine MühendisliğiUludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ BORAT
- Sürekli rejim şartlarında nükleer yakıt çubuklarında tek ve iki boyutlu ısı iletiminin analizi
In steady-state conditions analyses of one and two dimensional conduction in nuclear fuel rods
İBRAHİM ATILGAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERCAN ATAER
- Katı yakıtların akışkan yatakta yakılması ve katı miktarının yatak yüksekliğine etkisi
Combustion of solid fuels in the fkuidized beds and the effects of solid quantity to the height of bed
KAMİL BEKİR KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ YÜCEL UYAREL
- NH3 için önerilen yeni bir gerçek gaz hal denklemi ve bu hal denklemi ile bazı moleküler-fiziksel özelliklerin saptanması
Başlık çevirisi yok
MERAL HOŞCAN
- Sivas ili cumhuriyet üniversitesi tip fakültesi numune ve sosyal sigortalari kurumu hastanelerinde çalişan hemşirelerin intra venöz (damar içi) sivi tedavisine ilişkin bilgi ve uygulamalari
The knowledge and practice related to the intravenous fluid theraph of the nurses working at the hospital of the medical faculty in cumhuriyet university, numune hastanesi and sosyal sigortalar kurumu hastanesi in sivas
İLKAY KALELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
HemşirelikCumhuriyet ÜniversitesiHemşirelik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELİHA ATALAY
- Sabit yatakta gaz fazına ısı transferinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
UĞUR ÇETİNKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDEN ALPAY