شبیه‌سازی محاسباتی جریان هوا و ذرات معلق در ریه‌ی انسان: بررسی اثر گرانش

Abstract

سطح وسیع ریه با حصارهای هوایی-خونی خود، در معرض ذرات معلق هوای ورودی قرار دارد. در این شرایط، در صورت آلوده بودن این ذرات، اثر متقابل ذرات-ریه روی هم می­تواند خطرات و صدمات قابل توجهی را برای سلامتی انسان به همراه داشته باشد. از طرفی، از این واکنش­ها برای دارورسانی به بدن انسان نیز استفاده می‌شود. در هر دو حالت، تخمین دقیق مقدار و محل نشست ذرات در مجاری تنفسی، به عنوان مبنای درک مکانوبیولوژیکی این بیماری­ها به شمار می‌رود. گردآوری تجربی داده‌ها از انتقال ذرات در ریه‌ی انسان فرایند بسیار دشواری می‌باشد. اما روش دینامیک سیالات-ذرات محاسباتی، امکان شبیه‌سازی داده­های انتقال ذرات در مدل­های واقعی را فراهم ساخته است. نشست ذرات آیروسول در ریه‌ی انسان، از طریق ترکیب برخورد در اثر اینرسی، رسوب در اثر گرانش و انتشار روی می­دهد. مکانیسم اصلی نشست ذرات در مجاری پایین دست، برای ذراتی با قطر آیرودینامیکی 5/0 تا 5 میکرومتر و در حالت انبساط ریه (در حالت دم)، رسوب ناشی از نیروی گرانش و انتقال هم‌رفتی ناشی از حرکت دیواره­ها می­باشد. در این پژوهش، جریان سیال-ذره در نسل 18-ام از مجاری تنفسی مدل­سازی شده و میزان نشست ذرات در مجاری تنفسی برای دو حالت گرانش ناچیز و نرمال، با فرض تغییر­ مکان ایزوتروپیک در دیواره‌ها و میزان دبی ورودی 1 mg/s، مورد بررسی قرار گرفته است. بررسی نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که به دلیل توانایی نفوذ ذرات با قطر آیرودینامیکی کم‌تر از 5 میکرومتر به نواجی عمیق مجاری تنفسی، با ناچیز کردن اثر نیروی گرانش، میزان نشست ذرات در مجاری پایین­دست سیستم تنفسی تا حد بسیار زیادی کاهش می­یابد. ذرات با قطر 5 میکرومتر، تحت تاثیر برخورد اینرسی (که بیش‌تر در مجاری با قطر بزرگ و متوسط روی می­دهد) و هم‌چنین در اثر رسوب (که بیش‌تر در مجاری پایین‌دست عمل می­کند)، دچار نشست می­شوند.