شبیه سازی جریان و ردیابی ذرات در سیستم تنفسی انسان- بخش۱

تحلیل جریان و ردیابی ذرات در سیستم تنفسی انسان در نرم‌افزار فلوئنت

مقدمه:

ریه انسان به طور معمول شامل ۲۳ نسل است.

نسل‌های پایین‌تر، از انشعاب مسیرهای تنفسی بالاتر به وجود می‌آیند.

تنفس و تبادل‌ گازهای تنفسی به صورت عمده در انشعابات آخر آن یعنی نسل‌های ۱۶‌ام تا ۲۳‌ام انجام می‌شود .

در این نسل‌ها علاوه بر مسیرهای انتقال هوا، حبابچه‌هایی در دور تا دور مسیرهای انتقال قرار گرفته‌اند که در آن‌ها به دلیل ضخامت کم جداره ریه، امکان تبادل گازهای تنفسی و همچنین جذب ذراتی مانند داروهای استنشاقی، دود سیگار و ویروس‌های تنفسی برقرار است.

این حبابچه‌ها علاوه بر تبادل گازهای تنفسی به واسطه تغییر فرم شبه بادکنکی، به عنوان سیستم مکش و دمش ریه نیز عمل می‌کنند.

شکل ۱- نمایی از سیستم تنفسی انسان – مرجع: فیزیولوژی گایتون

 

شکل ۲- نمایی از منطقه کیسه‌های حبابچه‌ای انتهایی ریه انسان

هدف از آموزش این بخش، انجام شبیه‌سازی جریان و ردیابی ذرات مختلف در مسیرهای حبابچه‌ای نسل ۱۸‌ام ریه انسان است.

در این شبیه‌سازی، مدل‌های Dynamic Mesh و Discrete Phase به صورت هم ‌زمان مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به دلیل پیچیدگی‌های بسیار مسیرهای تنفسی در ریه انسان ، توزیع فشار و سرعت در بخش‌های مختلف آن به صورت موضعی نامعلوم است.

به همین‌ جهت امکان شبیه‌سازی آن‌ به صورت یک مسیر دارای ورودی و خروجی میسر نیست.

با کمک هندسه‌های تغییر فرم‌دهنده در نرم‌افزار FLUENT،  می‌توان ضعف این گونه اطلاعات را با اعمال توابع تغییر شکل جداره برگرفته از فیزیولوژی، برطرف نمود.

بدیهی است به دلیل پیچیدگی‌های بسیار هندسی، برای مدل‌سازی هندسه هر بخش، از مدل‌های ساد‌ه‌ شده‌ای استفاده می‌شود که توانایی نشان دادن رفتارهای واقعی سیستم در مقایسه با هندسه اصلی را داشته باشد.

در اینجا از مدل سه‌بعدی دوار و دارای صفحات جداکننده حبابچه‌ها استفاده شده است.

در این مدل، حبابچه‌ها در اطراف مجرای انتقال هوا به صورت یک دونات در نظر گرفته شده‌اند که توسط صفحات شعاعی میانی از یکدیگر جدا شده‌اند.

علاوه بر منطقه اصلی شبیه‌سازی که شامل مجراهای حبابچه‌ای است، یک مسیر انتهایی نیز در امتداد مدل اصلی در نظر گرفته شده است.

این بخش نقشی شبیه به مسیرهای پایین‌دست منطقه مورد شبیه‌سازی در ریه انسان را دارد و وظیفه آن دمش و مکش جریان و همچنین کنترل رینولدز جریان در منطقه مورد شبیه‌سازی از طریق طول منطقه اضافه شده‌است.

شکل ۳- نمایی از منطقه مورد شبیه‌سازی در نرم‌افزار FLUENT

 

شکل ۴- نمای داخلی منطقه مورد شبیه‌سازی و صفحات جداکننده

 

ابتدا مدل و شبکه در نرم‌افزار Gambit تولید می‌شود. سپس در نرم‌افزار فلوئنت با استفاده از مدل(Dynamic Mesh Model) DMM حرکت مرزهای متحرک مدل‌سازی می‌شود.

همزمان با آن، با استفاده از مدل (Discrete Phase Model) DPM ردیابی ذرات معلق با اندازه‌های ۱ نانومتر تا ۵ میکرومتر انجام می‌شود.

برای شبیه‌سازی در هر دو بخش نیاز به استفاده از توابع UDF در زبان برنامه‌نویسی C می‌باشد.

در نهایت روش‌های دریافت خروجی از شبیه‌سازی‌های شامل DMM و DPM نیز ارائه گردیده است.

بخش‌ مدل‌سازی Gambit در این آموزش به عنوان مبنای آموزش اولیه این نرم‌افزار در کتاب نیز قرار داده شده است و تمامی دستورات و منوها با تفصیل بیشتری در آن معرفی گردیده است.

با توجه به حذف گمبیت از بسته محصولات نرم‌افزاری ANSYS و جایگزینی نرم‌افزار ICEM-CFD جهت تولید شبکه فلوئنت، از ویرایش‌های آتی کتاب، این فصل نیز در نرم‌افزار ICEM-CFD ارائه خواهد گردید و استفاده از نرم‌افزار گمبیت در ویرایش پیش‌رو، با هدف استفاده کاربران قدیمی نرم‌افزار فلوئنت و همچنین آشنایی کاربران جدید نرم‌افزار فلوئنت، در نظر گرفته شده‌است.

تولید هندسه و شبکه در نرم‌افزار Gambit

نرم افزار Gambit را از آدرس نصب آن اجرا کنید.

در پنجره شروع به کار، می‌توان آدرس کاری و همچنین شناسه (ID) کار با نرم افزار را مشخص نمود.

در واقع پس از درج ID، کلیه فایل‌های نرم‌افزار به همین نام ذخیره می‌شود.

همچنین فایل شبکه نیز به همین نام در پوشه کاری استخراج می‌شود.

شکل ۵-پنجره شروع به کار Gambit

 

محیط نرم افزار Gambit به طور کلی از ۶ بخش تشکیل شده است.

پنجره نمایش

کلیدهای عملیاتی (Operation)

کنترل‌های عمومی (Global Control)

پنجره پیام‌ها (Transcript)

خط دستورهای متنی (Command Line)

توصیف کلیدهای عملیاتی (Description)

شکل ۶-ساختار نرم‌افزار Gambit

 

کلیه دستورات گرافیکی (Graphical User Interface) (GUI) در گمبیت، دارای معادل متنی (Text User Interface) (TUI) هستند.

دستورات متنی جهت خودکارسازی فرآیند تولید هندسه و شبکه توسط فایل‌های ژورنال (Journal File) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با ورود به نرم‌افزار Gambit، به صورت خودکار ۴ فایل ایجاد می‌شود.

 

نویسنده: آقای مهندس احسان سعادتی

 

 

 

 

 

 

 

طراحی و پشتیبانی : آسان پرداز