Parallel Lagrangian particle transport : application to respiratory system airways

Abstract

This thesis is focused on particle transport in the context of high computing performance (HPC) in its widest range, from the numerical modeling to the physics involved, including its parallelization and post-process. The main goal is to obtain a general framework that enables understanding all the requirements and characteristics of particle transport using the Lagrangian frame of reference. Although the idea is to provide a suitable model for any engineering application that involves particle transport simulation, this thesis uses the respiratory system framework. This means that all the simulations are focused on this topic, including the benchmarks for testing, verifying and optimizing the results. Other applications, such as combustion, ocean residuals, or automotive, have also been simulated by other researchers using the same numerical model proposed here. However, they have not been included here in the interest of allowing the project to advance in a specific direction, and facilitate the structure and comprehension of this work. Human airways and respiratory system simulations are of special interest for medical purposes. Indeed, human airways can be significantly different in every individual. This complicates the study of drug delivery efficiency, deposition of polluted particles, etc., using classic in-vivo or in-vitro techniques. In other words, flow and deposition results may vary depending on the geometry of the patient and simulations allow customized studies using specific geometries. With the help of the new computational techniques, in the near future it may be possible to optimize nasal drugs delivery, surgery or other medical studies for each individual patient though a more personalized medicine. In summary, this thesis prioritizes numerical modeling, wide usability, performance, parallelization, and the study of the physics that affects particle transport. In addition, the simulation of the respiratory system should carry out interesting biological and medical results. However, the interpretation of these results will be only done from a pure numerical point of view.

Aquesta tesi se centra en el transport de partícules dins el context de la computació d'alt rendiment (HPC), en el seu ventall més ampli; des del model numèric fins a la física involucrada, incloent-hi la part de paral·lelització del codi i de post-procés. L'objectiu principal és obtenir un esquema general que permeti entendre tant els requeriments com les característiques del transport de partícules fent servir el marc de referència Lagrangià. Encara que la idea sigui definir un model capaç¸ de simular qualsevol aplicació en el camp de l'enginyeria que involucri el transport de partícules, aquesta tesi utilitza el sistema respiratori com a temàtica de referència. Això significa que totes les simulacions estan emmarcades en aquest camp d'estudi, incloent-hi els tests de referència, verificacions i optimitzacions de resultats. L'estudi d'altres aplicacions, com ara la combustió, els residus oceànics, l'automoció o l'aeronàutica també han estat dutes a terme per altres investigadors utilitzant el mateix model numèric proposat aquí. Tot i així, aquests resultats no han estat inclosos en aquesta tesi per simplificar-la i avançar en una sola direcció; facilitant així l'estructura i millor comprensió d'aquest treball. Pel que fa al sistema respiratori humà i les seves simulacions, tenen especial interès per a propòsits mèdics. Particularment, la geometria dels conductes respiratoris pot variar de manera considerable en cada persona. Això complica l'estudi en aspectes com el subministrament de medicaments o la deposició de partícules contaminants, per exemple, utilitzant les tècniques clàssiques de laboratori (in-vivo o in-vitro). En altres paraules, tant el flux com la deposició poden canviar en funció de la geometria del pacient i aquí és on les simulacions permeten estudis adaptats a geometries concretes. Gràcies a les noves tècniques de computació, en un futur proper és probable que puguem optimitzar el subministrament de medicaments per via nasal, la cirurgia o altres estudis mèdics per a cada pacient mitjançant una medicina més personalitzada. En resum, aquesta tesi prioritza el model numèric, l'amplitud d'usos, el rendiment, la paral·lelització i l'estudi de la física que afecta directament a les partícules. A més, el fet de basar les nostres simulacions en el sistema respiratori dota aquesta tesi d'un interès biològic i mèdic pel que fa als resultats.