Effects of kinematic hardening of mucus polymers in an airway closure model
Hava yolu kapama modelinde mukus polimerlerinin kinematik sertleşmesinin etkileri
- Tez No: 816842
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN MURADOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Hava yolu kapanması olarak bilinen, insan akciğerinin hava yolu içinde bir sıvı tıkacının oluşumu, hava yolu duvarlarını kaplayan pulmoner mukusun elastoviskoplastik (EVP) özellikleri dikkate alınarak sayısal olarak incelenmiştir. Hava yolu, duvarını tek bir sıvı tabakası kaplayan bir tüp olarak modellenmiştir. Sıvı tabaka için model olarak Saramito-Herschel-Bulkley (Saramito-HB) modeli, İzotropik Kinematik Sertleşme modeli (Saramito-HB-IKH) ile birleştirilmiştir. Çalışmanın amacı, mukusun kinematik sertleşme özelliklerini incelemek ve hava yolu kapanma sürecine etkilerini değerlendirmektir. Reolojik model, sağlıklı, astım, kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) ve kistik fibroz (KF) koşulları altında deneysel mukus verilerine uydurulmuştur. Deneysel veriler göz önünde bulundurularak, her iki model için uydurma sonuçları karşılaştırıldığında, Saramito-HB-IKH modelinin, özellikle sabit frekansta gerçekleştirilen süpürme testinin düşük deformasyon genliği bölgesinde kayıp modülünü yakalama açısından Saramito-HB modelinden üstün olduğu bulunmuştur. Uydurma işlemiyle elde edilen mukus parametreleri kullanılarak, hava yolu kapanması, başlangıçtaki bozulmamış sıvı kalınlığı ve Laplace sayısının değişen koşullarıyla simüle edilmiştir. Kinematik sertleşme modelinde tanıtılan ve dinamik olarak gelişen bir akma gerilimi olan etkin akma geriliminin evrimi, kapanma işlemi boyunca incelenmiştir. Parametrenin, diğer durumlara kıyasla KF durumu için daha hızlı biriktiği gözlemlenmiştir. Sıvı tabakanın akma bölgeleri ve hava yolu duvarındaki gerilmeler de benzer şekilde incelenmiştir. Saramito-HB-IKH modeli için akma hemen gerçekleşirken, Saramito-HB modeli için bu durum kapanmaya yakın başlamaktadır. İki model arasındaki duvar gerilmeleri karşılaştırıldığında, kinematik sertleşmenin, özellikle KF durumu için, kapanma zamanı üzerinde belirgin bir etkisi olduğu görülmüştür ve bu etki düşük Laplace sayısı ve düşük başlangıç sıvı kalınlığı koşullarında daha belirgindir. Buna ek olarak, Saramito-HB-IKH modeli, Saramito-HB modelinin yapamadığı koşullar altında, yüksek elastik modüllü KOAH ve KF durumları için kapanma davranışını yakalamaktadır. Sonuçların etkin akma gerilmesinin başlangıç değerine duyarlılığı değerlendirilmiş ve başlangıç değeri arttıkça kapanmanın geciktiği bulunmuştur. Çalışma ayrıca, bireysel mukus parametrelerinin duvar gerilmeleri ve kapanma süresi üzerindeki etkilerini de bildirmektedir. Elastik modülün kapanma süresini ve gerilmelerin büyüklükleri ile onların gradyanlarını etkilediği bulunmuştur. Polimerik viskozite özellikle kapanmadan sonra gerilmelerin gevşemesini etkilemektedir. Akma gerilmesinin, kapanma zamanını belirlemede önemli bir faktör olduğu ortaya çıkmıştır. Ancak, etkilerinin duruma bağlı olduğu ve başlangıç sıvı kalınlığı ile Laplace sayısına bağlı olduğu bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
Formation of a liquid plug inside an airway of a human lung, known as airway closure, is numerically studied by considering the elastoviscoplastic (EVP) properties of the pulmonary mucus covering the airway walls. The airway is modeled as a rigid tube with single layer of liquid coating its wall. As the model for the liquid layer, the Saramito-Herschel-Bulkley (Saramito-HB) model is coupled with the Isotropic Kinematic Hardening model (Saramito-HB-IKH). Aim of the study is to examine the kinematic hardening features of mucus and evaluate its effects on the closure process. The rheological model is fitted to the experimental mucus data under healthy, asthma, chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and cystic fibrosis (CF) conditions. Comparing the fitting results for both models with respect to the experimental data, the Saramito-HB-IKH model is shown to be superior to the Saramito-HB model, especially in terms of capturing the loss moduli under low strain amplitude region of a constant frequency sweep test. Using the mucus parameters acquired through the fitting process, airway closure is computationally investigated for a range of initial undisturbed liquid layer thickness and the Laplace number. The evolution of the effective yield stress, which is a dynamically evolving yield stress introduced in the kinematic hardening model, is examined throughout the closure process. The parameter is observed to accumulate more rapidly for the CF case compared to the other cases. Yielded/unyielded regions of the liquid layer and the stresses on the airway wall are similarly examined. Yielding occurs immediately in the Saramito-HB-IKH model, whereas it commences near closure for the Saramito-HB model. Comparing the wall stresses between two models, kinematic hardening is seen to have notable effect on the closure time, especially for the CF case, with the effect being more pronounced at low Laplace numbers and low initial liquid layer thicknesses. The Saramito-HB-IKH model also captures closure behavior for high elastic modulus cases of COPD and CF under conditions which Saramito-HB model is unable to. The sensitivity of the results to the initial condition of the effective yield stress is evaluated, and it is determined that closure is delayed as the initial value increases. The study additionally reports the standalone effects of the rheological properties of mucus on the wall stresses considering their physiological values as baseline. The elastic modulus is found to influence the closure time and the magnitudes of the stresses and their gradients. The polymeric viscosity particularly affects the relaxation of stresses after closure. The yield stress is revealed to have an important factor in determining the closure time. However, its effects are understood to be case dependent and contingent on the initial liquid layer thickness and Laplace number.
Benzer Tezler
- Kiriş ucu plastik mafsal bölgesindeki tam dayanımlı bulonlu kiriş ekinin kiriş-kolon birleşim davranışına etkisinin araştırılması
An investigation of the effect of fully restrained bolted splice connection within the plastic hinge zone at a beam end on the behavior of beam-to-column connection
KUTAY KUTSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Investigation of orthotropic steel deck design using fem
Ortotropik çelik tabliye tasarımının sem kullanılarak incelenmesi
ABDULLAH FETTAHOĞLU
Doktora
İngilizce
2015
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERKAN BEKİROĞLU
- Implementation and comparison of different constitutive models in deep drawing process
Derin çekme işleminde farklı bünye denklemlerinin uygulanması ve karşılaştırılması
FERAH ÇOĞUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK DARENDELİLER
- Effect of constitutive modeling in sheet metal forming
Bünye denklemlerinin sac metal şekillendirme üzerindeki etkisi
MERİÇ UÇAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. HALUK DARENDELİLER
- SCGADUB 1180 yüksek mukavemetli sacının farklı duvar açısı ve farklı kalıp radyüslerindeki şekillendirilmesinin deneysel ve sonlu elemanlar metodu ile incelenmesi, geri yaylanma tahmini ve giderilmesi
Experimental and finite element analysis of the forming of SCGADUB1180 high-strength sheet at different wall angles and different punch radii, estimation and elimination of springback
SAMET KARABULUT
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL ESEN