شبیه سازی محاسباتی جریان هوا همراه با ذرات معلق در ریه انسان: بررسی اثر گرانش

سطح وسیع ریه با حصارهای هوا-خونی خود، در معرض ذرات معلق هوای ورودی می‌باشد. در این شرایط چنانچه این ذرات آلوده باشند، اثر متقابل ذرات-ریه بر روی هم می‌تواند موجب ایجاد خطرات و صدمات جدی بر روی سلامتی انسان شود. از طرفی، این واکنش‌ها در راستای دارورسانی به بدن انسان نیز استفاده می‌شود. در هر دو حالت، تخمینی دقیق از مقدار و محل نشست ذرات در مجاری تنفسی اساس درک مکانوبیولوژیکی این بیماری‌ها می‌باشد. گردآوری داده از انتقال ذرات در ریه انسان از طریق تجربی همواره دشوار بوده است. اما دینامیک سیالات-ذرات محاسباتی این امکان را فراهم کرده است که داده‌های انتقال ذرات در مدل‌های واقعی را داشته باشیم. نشست ذرات آیروسول در ریه انسان اساسا از طریق ترکیب برخورد در اثر اینرسی، رسوب در اثر گرانش و انتشار روی می‌دهد. برای ذرات با قطر آیرودینامیکی 5/0تا 5 میکرون و در حالت انبساط ریه (در حالت دم) مکانیزم اصلی نشست ذرات در مجاری پایین دست، رسوب به‌دلیل نیروی گرانش و انتقال همرفتی در اثر حرکت دیواره‌ها می‌باشد. در این پژوهش، مدل‌سازی جریان سیال-ذره در نسل 18ام از مجاری تنفسی انجام شده است و میزان نشست ذرات در مجاری تنفسی برای دو حالت گرانش ناچیز و نرمال با فرض تغییر‌مکان ایزوتروپیک در دیواره‌ها و با میزان دبی ورودی 1 میلی‌گرم بر ثانیه ذرات مورد بررسی قرار گرفت. با بررسی نتایج مشخص شد که میزان نشست ذرات در مجاری پایین‌دست سیستم تنفسی به‌دلیل آن‌که ذرات با قطر آیرودینامیکی کمتر از 5 میکرون توانایی نفوذ به آن عمق از مجاری را دارند، با ناچیز کردن اثر نیروی گرانش تا حد بسیاری زیادی کم می‌شود. ذرات با قطر 5 میکرون تحت تاثیر برخورد اینرسی که این مکانیزم بیشتر در مجاری با قطر بزرگ و متوسط روی می‌دهد و همچنین در اثر رسوب که بیشتر در مجاری پایین دست عمل می‌کند، دچار نشست می-شوند.