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．

This study aims to investigate the instability of flow in the reconstruction of basic complex shapes in medical images and in the investigation of flow instability in nasal cavity during olfactory movement. The formation and vortex emission of the nasal stenosis, the spatial and temporal resolution of the nasal cavity, the shape of the nasal cavity, the flow, and the relationship between the olfactory function, are now used in clinical applications. Computational fluid dynamics (CFD) analysis of the nasal cavity flow provides useful information. To confirm the validity of the results of the visual measurement of the flow velocity variation and flow rate under the same shape and flow rate conditions. This year, X-ray CT images of the nasal cavity were constructed to simulate the flow waveform during the actual sniffing operation.DNS of the nasal cavity migration flow was implemented under the flow conditions. DNS of the nasal cavity migration flow was implemented under the condition that the hydraulic diameter of the narrow part (nasal part) in front of the nasal cavity was equal to the average flow velocity. The flow waveform measurement conditions during sniffing operation are as follows: The results show that the process of vortex formation, extension, collapse and vortex release in the downstream of the nose is confirmed. The nature of the domain of turbulence is confirmed by the typical-5/3 alignment. The characteristics of the chaos, smell action, rapid flow, acceleration, deceleration, influence, light, etc.

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