Large-scale CFD and micro-particles simulations in a large human airways under sniff condition and drug delivery application

Abstract

As we inhale, the air drawn through our nose undergoes successive accelerations and decelerations as it is turned, split, and recombined before splitting again at the end of the trachea as it enters the bronchi. Fully describing the dynamic behaviour of the airflow and how it transports inhaled particles poses a severe challenge to computational simulations. The dynamics of unsteady flow in the human large airways during a rapid and short inhalation (a so-called sniff) is a perfect example of perhaps the most complex and violent human inhalation inflow. Combining the flow solution with a Lagrangian computation reveals the effects of flow behaviour and airway geometry on the deposition of inhaled microparticles. Highly detailed large-scale computational fluid dynamics allow resolving all the spatial and temporal scales of the flow, thanks to the use of massive computational resources. A highly parallel finite element code running on supercomputers can solve the transient incompressible Navier-Stokes equations on unstructured meshes. Given that the finest mesh contained 350 million elements, the study sets a precedent for large-scale simulations of the respiratory system, proposing an analysis strategy for mean flow, fluctuations, wall shear stresses, energy spectral and particle deposition on a rapid and short inhalation. Then in a second time, we will propose a drug delivery study of nasal sprayed particle from commercial product in a human nasal cavity under different inhalation conditions; sniffing, constant flow rate and breath-hold. Particles were introduced into the flow field with initial spray conditions, including spray cone angle, insertion angle, and initial velocity. Since nasal spray atomizer design determines the particle conditions, fifteen particle size distributions were used,each defined by a log-normal distribution with a different volume mean diameter. This thesis indicates the potential of large-scale simulations to further understanding of airway physiological mechanics, which is essential to guide clinical diagnosis; better understanding of the flow and delivery of therapeutic aerosols, which could be applied to improve diagnosis and treatment.

En una inhalación, el aire que atraviesa nuestra cavidad nasal es sometido a una serie de aceleraciones y deceleraciones al producirse un giros, bifurcaciones y recombinarse de nuevo antes de volver a dividirse de nuevo a la altura de la tráquea en la entrada a los bronquios principales. La descripción precisa y acurada del comportamiento dinámico de este fluido así como el transporte de partículas inhalada que entran con el mismo a través de una simulación computacional supone un gran desafío. La dinámica del fluido en las vías respiratorias durante una inhalación rápida y corta (también llamado sniff) es un ejemplo perfecto de lo que sería probablemente la inhalación en el ser humano más compleja y violenta. Combinando la solución del fluido con un modelo lagrangiano revela el comportamiento del flujo y el effecto de la geometría de las vías respiratorias sobre la deposición de micropartículas inhaladas. La dinámica de fluidos computacional a gran escala de alta precisión permite resolver todas las escalas espaciales y temporales gracias al uso de recursos computacionales masivos. Un código de elementos finitos paralelos que se ejecuta en supercomputadoras puede resolver las ecuaciones transitorias e incompresibles de Navier-Stokes. Considerando que la malla más fina contiene 350 millones de elementos, cabe señalar que el presente estudio establece un precedente para simulaciones a gran escala de las vías respiratorias, proponiendo una estrategia de análisis para flujo medio, fluctuaciones, tensiones de corte de pared, espectro de energía y deposición de partículas en el contexto de una inhalación rápida y corta. Una vez realizado el analisis anterior, propondremos un estudio de administración de fármacos con un spray nasal en una cavidad nasal humana bajo diferentes condiciones de inhalación; sniff, caudal constante y respiración sostenida. Las partículas se introdujeron en el fluido con condiciones iniciales de pulverización, incluido el ángulo del cono de pulverización, el ángulo de inserción y la velocidad inicial. El diseño del atomizador del spray nasal determina las condiciones de partículas, entonces se utilizaron quince distribuciones de tamaño de partícula, cada uno definido por una distribución logarítmica normal con una media de volumen diferente. Esta tesis demuestra el potencial de las simulaciones a gran escala para una mejor comprensión de los mecanismos fisiológicos de las vías respiratorias. Gracias a estas herramientas se podrá mejorar el diagnóstico y sus respectivos tratamientos ya que con ellas se profundizará en la comprensión del flujo que recorre las vías aereas así como el transporte de aerosoles terapéuticos.