Influencia de los Parámetros Morfológicos en el Desarrollo del Flujo dentro de las Vías Respiratorias Humanas
Autores: Espinosa-Moreno, Andres Santiago; Duque-Daza, Carlos Alberto; Garzón-Alvarado, Diego Alexander
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Influencia de los Parámetros Morfológicos en el Desarrollo del Flujo dentro de las Vías Respiratorias Humanas
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Parámetros anatómicos de las vías respiratorias
Dinámica del flujo
ángulo de bifurcación
Radio de redondeo de la carina
Procesos respiratorios
Simulaciones numéricas
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Los parámetros anatómicos de las vías respiratorias, como la longitud, el diámetro y los ángulos, tienen un fuerte efecto en la dinámica del flujo. Con el objetivo de explorar el efecto de las variaciones del ángulo de bifurcación (BA) y el radio de redondeo de la carina (CRR) de las vías respiratorias humanas inferiores en los procesos respiratorios, se realizaron simulaciones numéricas del flujo de aire durante la inhalación y la exhalación utilizando modelos de bifurcación sintéticos. Las geometrías de los modelos de las vías respiratorias se parametrizaron en función de un conjunto de diferentes BA y varios CRR. Se seleccionó un rango de números de Reynolds (Re), relevantes para el proceso de respiración humana, para analizar el comportamiento del flujo de aire. Los resultados numéricos mostraron una influencia significativa del BA y el CRR en el desarrollo del flujo de aire dentro de las vías respiratorias, y, por lo tanto, afectando las siguientes características relevantes del flujo: la deformación de los perfiles de velocidad, las alteraciones de la caída de presión, los patrones de flujo y, finalmente, el aumento o la atenuación de las tensiones de corte en la pared (WSS) que aparecen durante el proceso respiratorio regular. Los resultados numéricos mostraron que los aumentos en el valor del ángulo de bifurcación se acompañaron de aumentos de presión de aproximadamente el 20%, especialmente en las regiones cercanas a la bifurcación. De manera similar, los aumentos en el valor del BA llevaron a una reducción en las tensiones de corte máximas de hasta el 70%. Para los rangos de ángulos y radios explorados, se obtuvo un aumento de presión de aproximadamente el 20% y una reducción en la tensión de corte en la pared de más del 400% al aumentar el radio de redondeo de la carina. El análisis de las estructuras coherentes y los patrones de flujo secundarios también reveló una relación directa entre la ubicación de las estructuras vórtices, los máximos locales de los perfiles de velocidad y los mínimos locales de vorticidad. Esta relación se observó para todas las ramas analizadas, tanto para los procesos de inhalación como de exhalación del ciclo respiratorio.
Descripción
Los parámetros anatómicos de las vías respiratorias, como la longitud, el diámetro y los ángulos, tienen un fuerte efecto en la dinámica del flujo. Con el objetivo de explorar el efecto de las variaciones del ángulo de bifurcación (BA) y el radio de redondeo de la carina (CRR) de las vías respiratorias humanas inferiores en los procesos respiratorios, se realizaron simulaciones numéricas del flujo de aire durante la inhalación y la exhalación utilizando modelos de bifurcación sintéticos. Las geometrías de los modelos de las vías respiratorias se parametrizaron en función de un conjunto de diferentes BA y varios CRR. Se seleccionó un rango de números de Reynolds (Re), relevantes para el proceso de respiración humana, para analizar el comportamiento del flujo de aire. Los resultados numéricos mostraron una influencia significativa del BA y el CRR en el desarrollo del flujo de aire dentro de las vías respiratorias, y, por lo tanto, afectando las siguientes características relevantes del flujo: la deformación de los perfiles de velocidad, las alteraciones de la caída de presión, los patrones de flujo y, finalmente, el aumento o la atenuación de las tensiones de corte en la pared (WSS) que aparecen durante el proceso respiratorio regular. Los resultados numéricos mostraron que los aumentos en el valor del ángulo de bifurcación se acompañaron de aumentos de presión de aproximadamente el 20%, especialmente en las regiones cercanas a la bifurcación. De manera similar, los aumentos en el valor del BA llevaron a una reducción en las tensiones de corte máximas de hasta el 70%. Para los rangos de ángulos y radios explorados, se obtuvo un aumento de presión de aproximadamente el 20% y una reducción en la tensión de corte en la pared de más del 400% al aumentar el radio de redondeo de la carina. El análisis de las estructuras coherentes y los patrones de flujo secundarios también reveló una relación directa entre la ubicación de las estructuras vórtices, los máximos locales de los perfiles de velocidad y los mínimos locales de vorticidad. Esta relación se observó para todas las ramas analizadas, tanto para los procesos de inhalación como de exhalación del ciclo respiratorio.