Rozvoj lattice Boltzmannovy metody pro řešení transportu a depozice vláknových částic

Abstract

Transport a depozice aerosolů v lidském dýchacím traktu jsou aktivní oblastí výzkumu. Inhalace aerosolů je jednou z metod dodávání léčiv do lidského těla. Na druhé straně však vdechovaný vzduch může obsahovat také škodlivé částice, jako jsou pevné prachové částice. Kromě sférických aerosolů jsou zkoumány také vláknité částice. Díky svému nepravidelnému tvaru mohou pronikat hlouběji do dýchacího systému a mohou být účinnější pro lékařské účely. Nicméně jejich složitý tvar představuje výzvu pro simulace, protože odporová síla závisí na aktuální orientaci částice vůči proudění. Navíc v oblasti bifurkací mají vláknité částice tendenci měnit orientaci vůči proudění. Metoda Euler-Lagrange Euler-Rotation (ELER) počítá pohyb částic pomocí Lagrangeovským přístupem a rotaci částic pomocí Eulerových kinematických rovnic. Tyto rovnice jsou výpočetně náročnější než standardní Lagrangeovský přístup metodou efektivního průměru, ale poskytují přesnější výsledky. Hlavním cílem této práce bylo implementovat metodu ELER do Lattice Boltzmannov metod (LBM), což je mezoskopický přístup modelující proudění kapalin na základě statistického chování částic tekutiny. Tento integrovaný rámec byl následně aplikován na simulaci transportu vláknitých částic v realistickém anatomickém modelu lidských dýchacích cest, sahajícím až do sedmé generace větvení. Výsledky potvrdily, že použitá metoda ELER poskytuje vyšší přesnost při predikci depozičních frakcí ve srovnání s přístupem založeným na efektivním průměru, jak bylo ověřeno na základě experimentálních dat. Nicméně podrobná analýza rotačního pohybu vláken pomocí vysokorychlostní kamery odhalila stále přetrvávající nesrovnalosti. Jako jejich možný zdroj byly identifikovány asymetrické deformace vláken, vzniklé během výrobního procesu, které byly pozorovány v experimentech. Pro zohlednění těchto reálných tvarových změn byl navržen a implementován nový přístup pro částice s nehomogenním rozložením hmotnosti. Zatímco bylo prokázáno, že tyto nehomogenity významně ovlivňují rotační pohyb ve srovnání s homogenními částicemi, jejich dopad na trajektorii a depozici částic byl méně výrazný. V důsledku toho bylo prokázáno, že metoda ELER ve spojení s LBM je přesným nástrojem pro predikci klíčových depozičních charakteristik v biomedicíně a dosahuje přesnějších výsledků než metoda efektivního průměru. Určité nesrovnalosti v rotačním pohybu však zůstávají předmětem budoucího výzkumu.Transport and deposition of aerosols in human respiratory tract is an active area of research. Aerosol inhalation is one method for delivering medication to the human body. On the other hand, inhaled air sometimes contains harmful particles like particulate matter. Besides spherical aerosols such as droplets or dust also fibrous particles are investigated. Due to their irregular shape, they can penetrate deeper into the respiratory system and may be more efficient for medical purposes. Nevertheless, the complex shape poses challenges for simulation because the drag force depends on the current orientation to the flow. Furthermore, in the area of bifurcations fibrous particles tend to change the orientation or start flipping. The Euler-Lagrange Euler-Rotation (ELER) method computes particle movement via Lagrangian tracking and particle rotation via Euler kinematical equations. These equations are computationally more expensive than the standard Lagrange approach of effective diameter but yield more accurate results. \\ The primary objective of this thesis was to extend the ELER method into the Lattice Boltzmann Method (LBM), a mesoscopic approach that models fluid dynamics based on the statistical behaviour of fluid particles. This integrated framework was then applied to simulate fibrous particle transport within a realistic anatomical model of human airways, extending down to the seventh generation of branching. The findings confirm that the deployed ELER method provides higher accuracy in predicting deposition fractions compared to the effective diameter approach, as validated against experimental data. Nevertheless, a comprehensive analysis of the rotational motion of fibers against high-speeed camera experimental measurements still revealed significant discrepancies. As a potential source of them, the observed fibers in the experiment indicate asymmetrical deformations, created during the fabrication procedure. To account for these real-world shape changes, a novel approach for particles with inhomogeneous mass distribution was derived and implemented. While these inhomogeoneities were shown to significantly disturb rotational motion compared to homogenous ones, their impact on particle trajectories was less substantial. Consequently, fully resolving the complex rotational behavior of fibrous particles in realistic airway flows remains an area for further investigation.