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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

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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


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.

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