嗅動作時における鼻腔内遷移流れの直接数値シミュレーションと実験的検証

嗅觉运动过程中鼻内过渡流的直接数值模拟和实验验证

• 批准号: 22K03939
• 负责人: 田中 学
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Chiba University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03939/
• 关键词: 直接数値シミュレーション; 鼻腔; 嗅動作

本研究は，医用画像に基づき複雑形状を再現した鼻腔内の嗅動作時における遷移流れを,格子を渦の最小スケールまで細分化した直接数値シミュレーション（DNS）により解析し，流れの不安定性を調査するものである．鼻腔狭窄部下流におけるジェットの形成と渦放出を空間・時間的に解像し，鼻腔の形状，流れ，および嗅覚機能との関係について明らかにするとともに，現在臨床応用が進められている鼻腔内流れの計算流体力学（CFD）解析のベンチマークとして有用なデータを提供する．また，シミュレーションと同形状・同流量条件のモデルを用いて流速変動とエアロゾル沈着の可視化計測実験を実施して，シミュレーション結果の妥当性を確認する．本年度は，X線CT画像から３次元鼻腔モデルを構築して，実際の嗅動作時の流量波形を模擬した流動条件下で，鼻腔内遷移流れのDNSを実施した．DNSには，鼻腔前方の狭窄部（鼻弁部）の水力等価直径と平均流速から見積もられる乱れの最小スケールであるコルモゴロフ長さと同オーダーの直交格子を使用した．シミュレーションでは，嗅動作時の流量波形の実測値を境界条件として与えた．結果より，鼻弁部下流で形成されるジェットと再循環流の間のせん断層において，渦の巻き上げ，伸張，崩壊を繰り返す渦放出の過程が確認された．また，局所的に乱れのパワースペクトルは広帯域の性質を帯び，乱流に典型的な-5/3の勾配を示すことが確認された．これらの乱れの特徴が，嗅動作時における急速な流れの加速・減速によりどのように影響を受けるかを明らかにした．

这项研究分析了鼻腔内嗅觉运动期间的过渡流，该鼻腔内的嗅觉运动通过直接数值模拟（DNS）重现了基于医学图像的复合形状，其中晶格被细分为涡流的最小尺度，并研究流动不稳定。该系统以空间和时间的方式解决了鼻狭窄下游的喷气机和涡流释放的形成，揭示了鼻腔的形状，流动和嗅觉功能之间的关系，并提供了有用的数据，作为当前正在进行的临床临床临床应用程序的计算流体动力学（CFD）分析的计算流体动力学（CFD）分析。此外，我们使用具有与模拟相同的形状和流动条件的模型进行了流速波动和气溶胶沉积的可视化测量实验，并确认了模拟结果的有效性。今年，我们从X射线CT图像中构建了一个三维鼻腔模型，并在流动条件下进行了鼻内过渡流的DN，在实际嗅觉运动中模拟了流动波形。对于DNS，与Kolmogorov长度相同的正交晶格，根据鼻腔前鼻腔中狭窄（鼻瓣）的水力相当直径和平均流速估计的湍流最小尺度。在模拟中，将嗅觉操作过程中流速波形的实际测量值作为边界条件给出。结果证实了涡流释放的过程，该过程反复地在射流和鼻瓣下游形成的循环溪流之间的剪切层中反复缩小，拉伸和崩溃。还可以证实，局部湍流功率谱具有宽带性质，并表现出典型的湍流梯度。我们已经阐明了这些湍流特征如何受到嗅觉运动期间快速流动加速和减速的影响。

项目成果

Upper Airway Simulation of Obstructive Sleep Apnea Syndrome

阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的上呼吸道模拟

• DOI: 10.14326/abe.12.74
• 发表时间: 2023
• 期刊: Advanced Biomedical Engineering
• 影响因子: 1
• 作者: Tanabe Atsuro;Yoshioka Keiichiro;Kato Hotaka;Funaki Yuka;Tada Hiroyuki;Tanaka Gaku
• 通讯作者: Tanaka Gaku