理想化口喉模型中三维湍流的体外-计算机相关性

埃利拉姆·诺夫，索拉布·巴德瓦吉，潘泰利斯·库拉皮斯，罗恩·贝斯勒，斯塔夫罗斯·卡西诺斯，若苏埃·斯尼特曼

发布时间：23 年 2023 月

抽象

持续需要提高胸外和上气道湍流气流的计算流体动力学（CFD）模拟的有效性和准确性。然而，在提供具有足够数据密度和完整性的实验解析的3D流基准方面仍然存在知识差距，以便与广泛使用的数值方案进行有用的比较。由于这些缺点，据我们所知，这项工作详细介绍了首次尝试在广义口喉模型中提供3D呼吸气流的体外 - 计算机相关性，从而评估大涡模拟（LES）和雷诺平均数值模拟（RANS）的性能。将数值预测与使用断层粒子图像测速法 （TPIV） 在从浅吸入到深吸入条件的三种稳定吸入流速下的 3D 体积流量测量进行比较。我们发现，RANS k-ω SST模型充分预测了雷诺数的速度流模式，范围从1'500到7'000，支持与计算成本更高的LES模型非常接近的结果。然而，RANS大大低估了湍流动能（TKE），从而强调了LES作为高阶湍流建模方案的优势。为了弥合未来跨呼吸研究学科的吞噬，我们为最终用户提供当前的体外-计算机相关数据，以改进用于吸入治疗和治疗或毒性剂量学终点的预测性 CFD 模型。

作者摘要

吸入空气中的颗粒物在肺部的扩散和随后的沉积受到吸入期间口腔-喉咙区域湍流呼吸气流动力学的强烈影响。为了获得昂贵的体外实验测量资源，人们广泛寻求流体动力学（CFD）模拟来预测沉积结果，但通常缺乏详细的实验数据来首先验证预计在上呼吸道中出现的三维（3D）流动结构。为了调和这种数据稀缺性，我们在理想化的3D打印口腔 - 喉咙模型中提供了3D呼吸气流的实验 - 数值相关性与两种具有不同计算成本的广泛建立的数值方案，即粗RANS和更精细的LES技术。我们的时间分辨3D流动数据强调了这些生理吸入流的复杂性，并讨论了不同数值技术的优缺点。展望未来的呼吸应用，面向广泛的临床前吸入气溶胶沉积研究，我们的开源数据可用于呼吸研究界广泛的最终用户的未来基准比较。

数字

Fig 4Fig 5Fig 6图1图2图3Fig 4Fig 5Fig 6图1图2图3

引文： Nof E， Bhardwaj S， Koullapis P， Bessler R， Kassinos S， Sznitman J （2023） 理想化口喉模型中三维湍流的体外-计算机相关性。公共科学图书馆计算生物学19（3）： e1010537. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537

编辑 器： 艾莉森·马斯登， 美国斯坦福大学

收到： 5月 2022， 8;接受： 2023月 23， 2023;发表： <>月 <>， <>

版权所有： ? 2023 诺夫等人。这是一篇根据知识共享署名许可条款分发的开放获取文章，该许可允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制，前提是注明原作者和来源。

数据可用性： 相关数据在手稿及其支持信息文件中，此外，我们还提供了一个存储库的链接：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20239125。

资金： 这项工作得到了以色列科学基金会（ISF）（JS的拨款号1840/21），欧盟地平线2020研究和创新计划下的欧洲研究理事会（ERC）（JS的赠款协议编号677772）以及以色列理事会的PBC奖学金计划的支持，该计划以部分资金支持SB。资助者在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备方面没有任何作用。

竞争利益： 不适用。

介绍

已知呼吸气流特性强烈影响吸入气溶胶在人体气道中的运输和沉积。胸外结构复杂，包括弯曲、扩张和收缩，导致咽、喉和气管向湍流气流过渡，雷诺数约为数千（即2'000-10'000），具体取决于吸入情况[1-4]。需要对这些复杂流动进行详细建模，以确定含有颗粒的气流和随后的沉积模式的命运，以预测例如肺剂量测定[5]或空气中病原体在肺部的扩散[6，7]。

近年来，计算流体动力学（CFD）率先取得了进展，以克服体外实验活动的一些高昂成本。求解雷诺平均纳维-斯托克斯 （RANS） 方程的数值方法因其较低的计算成本而成为非层流建模中最广泛使用的方法。RANS通常涉及在稳定呼吸条件下将湍流模型应用于固定溶液[8]。结合低雷诺数（LRN）k-ω湍流模型（例如k-ω SST），RANS通常用于预测呼吸道中的层流-过渡-湍流[9，10]。虽然RANS模拟很受欢迎，但它们往往无法确定模型常数，这使得临床相关性和与其他研究的比较具有挑战性[11-15]。Riazuddin等人[16]使用k-ω SST湍流模型来研究鼻腔中的呼吸，通过与实验和数值数据的良好一致性，证明了该模型在模拟不利压力梯度的流动方面的准确性。Ma等人使用k-ε模型模拟了患者来源的人气道中的气流和气溶胶运输，与粗略（即区域平均值）体内沉积数据吻合良好[17]。Stapleton等人同样使用k-ε模型在理想化的口腔-喉咙中研究了气溶胶沉积，并通过伽马闪烁显像的体外区域沉积测量进行了验证[18]。作者发现层流条件与湍流条件没有很好的一致性，这表明颗粒沉积可能对压降和流动再循环敏感。Longlong等人使用k-ω湍流模型的不同变体研究了局部气道气溶胶沉积[19]，发现与使用低雷诺数（LRN）近似的体外沉积模式最吻合。尽管如此受欢迎，但大多数RANS研究都使用（次）区域平均沉积指标进行实验验证，而更准确和空间分辨的沉积模型首先需要对潜在的湍流进行实验验证。

由于RANS建模不够准确，无法捕获胸外气道湍流的小规模波动，因此大涡模拟（LES）是更合适的选择。在那里，只有包含一小部分动能的最小流动尺度被丢弃，因此与RANS相比，保留了更多基础湍流物理学的特征[20，21]。Lin等人[20]是最早使用LES评估喉射流引起的湍流对气流特性和气管壁剪切应力的影响的人之一。他们的研究表明，喉射流产生的湍流可以显着影响下游流动模式，突出了在模型中包括胸外气道的重要性。Choi等人[2]在两个CT衍生的上气道模型中进行了LES，以检查受试者间变异性对整体流量特性的影响，发现声门收缩比以及气道的曲率和形状对产生的流量有显着影响。最近，Koullapis等人使用LES研究了CT重建的人体气道几何形状中的入口流动条件[21]，其中流场差异在很大程度上消散在入口下游一小段距离处。此外，将吸入流速从久坐状态增加到主动呼吸条件，使平均流场结构基本上不受影响。最近基于 LES 的沉积研究已经使用广义几何形状 [22， 23] 确定了该方法的可信度，同时计算能力的不断提高使 LES 更加实惠。然而，LES 的潜在计算费用仍然远高于 RANS，这阻碍了其更广泛应用的可访问性。此外，成像模式正在产生更大、更复杂的患者几何形状，首先需要验证更简单的模型，以用于实际和患者特定的应用。

为此，欧洲科技合作组织（COST）发表了一个急需的基准案例，称为Siminhale基准[23]，比较了理想化气道几何形状中的几种数值方案，该几何形状跨越口腔到第四代支气管，吸入流速为60 l/min。 在计算机中，根据二维粒子图像测速法（PIV）测量验证了计算机预测[2]在PIV和LES之间具有良好的一致性，在模拟中略微过度预测了湍流动能（TKE）。[24]中的实验和数值数据，以及另外两个LES和一个RANS数据集，目前是公共可访问的ERCOFTAC数据库的一部分，为建立人类上呼吸道的计算流体粒子动力学（CFPD）模型提供了最佳实践建议。然而，PIV数据仅限于六个正交24D平面，并且由于光学通道的阻塞，喉收缩（已知强烈调节入口流量[2]）未被捕获。一些研究仅使用平面PIV测量喉部流量[25，26]，而其他研究则采用数值方法，没有可比的实验测量结果。Jayaraju等人在具有平面PIV的口喉模型中验证了他们的LES模拟，但仅在矢状面中部测量[27]。反过来，在提供具有足够数据密度和完整性的实验基准以与数值方案进行有用的比较方面仍然存在知识差距。

最近，体积流量测量工具已被用于通过断层粒子图像测速法（TPIV）和磁共振测速法（MRV）以3D方式研究呼吸流量[28，29]。值得注意的是，Kenjeres和Tijn在相同的上气道几何形状[3]中用可用的28D MRV数据[30]验证了他们的RANS和LES模拟，但使用患者特定模型限制了未来比较研究的验证。由于这些持续的缺点，本工作详细介绍了首次尝试在捕获3D气流模式的广义口喉模型中提供体外 - 计算机流动相关性。将 RANS 和 LES 预测与三种稳定吸入流速（从浅吸入到深吸入条件）下的 3D TPIV 流量测量进行比较。我们将模型几何形状和 TPIV 测量数据作为开源材料 https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20239125 共享，以供未来的基准参考。

材料和方法

几何形状和流动条件

口腔气道基于从口腔延伸至喉部的简化椭圆模型，既往用于气溶胶吸入研究[31]。这种椭圆形口腔-喉咙（MT）模型概括了从健康成人CT扫描得出的患者特异性几何形状[32]。

体外测量和计算机模拟之间的比较是在三个不同的雷诺数下进行的，即 Re = 1'500、4'500 和 7'000，基于模型的入口口直径。Re的值对应于大约11.5、32.8和52 l/min的稳定吸入空气流量;这种吸入条件分别与久坐，轻度和重度运动条件相当。此外，后两种吸入流速与通过DPI输送肺部药物特别相关[33]。

实验方法

我们简要描述了实验设置（图1和S1。闭环灌注系统由离心泵、15 l 储液罐和数字流量传感器组成，供应水/甘油（质量比为 58：42，密度为 ρf= 1'150 公斤/米3动态粘度μf= 9.66 × 10?3KG/M-S）通过模型（使用先前描述的方法制造[34，35]）。我们使用配备3毫米焦距镜头（Zeiss Milvus，德国）的高速层析粒子图像测速设置（TPIV）（德国LaVision GmbH）测量模型中的三维三分量（3D-100C）速度场。体积照明由 1 mJ 双头 Nd：YLF 激光器（DM280–1DH，美国光子工业公司）提供，并使用跨帧技术以固定的 024'12 帧/秒 （fps） 进行连续图像采集，其中激光脉冲之间的时间间隔分别设置为 100、70 和 30 μ秒，对于高， 调查了中低Re案件。视场 （FOV） 范围为 527.1 × 250 × 25 mm （x-y-z）。这些实验设置经过精心优化，以确保单个种子颗粒对应于瞬时图像中成像的40至65个像素，以避免PIV的任何峰值锁定效应，而连续图像之间的最大粒子位移范围在18到5像素之间，具体取决于流动情况。激光束通过模型的侧面引入，并通过由扩束镜和柱面透镜组成的光学布置形成厚板，然后是刀口孔径（图45a）;后者通常用于PIV中，以减少来自没有示踪粒子的区域的光反射，除其他外，有助于处理矢量图相对于实验模型的实际椭圆形状的矩形（见结果）。

缩略图 下载：

.PPT幻灯片

.PNG大图

.TIFF原始图像

图1. 模型几何和层析粒子图像测速 （TPIV） 设置。

（a） 实验装置，包括一个激光器、光学设备、流动系统、四个高速照相机和一个幻影理想化的口喉模型。（b） 模型以三维视图示意性，并标有入口和出口。请注意，喉部收缩被激光照射，从而最大限度地提高特定感兴趣区域 （ROI） 的空间分辨率。（c） 按照 TPIV 处理算法沿矢状面中部绘制代表性向量场。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.g001

有关TPIV方法的详细信息，包括折射率匹配和动态相似性缩放可以在我们之前的工作中找到[35]，其中原始图像和TPIV处理使用Davis 10（LaVision GmbH，德国）执行，并在Matlab（Mathworks Inc.，美国）中进一步分析。简而言之，红色荧光聚苯乙烯颗粒（PS-FluoRed，microParticle GmbH，德国）被接种并充当流动示踪剂，其中光学滤光片安装在每个相机镜头上以减少非荧光光反射，从而提高信噪比（SNR）。平均粒径dp= 10 μm 和颗粒密度 ρp= 1'050 公斤/米3产生相应的粒子弛豫时间为0.6 μs，相当于一个比单位小得多的粒子斯托克斯数。同时，由于工作流体和颗粒之间的密度差异引起的浮力效应引起的颗粒漂移在很大程度上可以忽略不计，因为（浮力）终端速度估计为ut= 5.7 × 10?7m/s（即），与入口处m/s量级的特征流速相比。

数值方法

对于CFD模拟，我们引入了用于描述基于欧拉方法的空气运动的控制方程和计算方法。不可压缩流体流动的控制方程由纳维-斯托克斯（动量）方程和连续性方程组成。采用两种不同的数值方法（RANS和LES）来模拟口喉几何形状中的湍流。

兰斯详细信息。

使用商业软件（ANSYS Fluent，ANSYS Inc.）使用RANS方法执行瞬态流动仿真，其中质量和动量（即纳维-斯托克斯）守恒方程通过在3D域中使用有限体积法（FVM）进行数值求解（有关RANS方程，请参见S1文本）。使用具有低雷诺数（LRN）校正的剪切应力传递（SST）k-ω模型对湍流现象进行建模;被认为是预测呼吸系统中低湍流的最合适的RANS模型，特别是在可用计算资源有限的情况下。流行的SST k-ω湍流模型[36，37]是一个双方程涡流-粘度模型。在边界层的内部使用 k-ω 公式使模型可以直接使用，一直到通过粘性子层的墙壁。因此，SST k-ω模型可以用作低Re湍流模型，而无需任何额外的阻尼函数。SST公式还切换到自由流中的k-ε行为，从而避免了常见的k-ω问题，即模型对入口自由流湍流特性过于敏感。此外，SST k-ω模型通常因其在不利压力梯度和分离流中的良好行为而受到赞誉[3，38]。请注意，SST k-ω模型被认为在具有大正态应变的区域（例如停滞区域和具有强加速度的区域）产生略高的湍流水平。然而，这种趋势远不如正常的k-ε模型那么明显[39，40]。

计算几何在ICEM（ANSYS公司，宾夕法尼亚州Canonsburg）中使用四面体单元在壁上带有棱镜层进行离散化。最终网格在Fluent（ANSYS，Inc.）中转换为多面体网格。首先进行了严格的网格收敛研究（即范围从2M到6M四面体单元），最终选择了约900'000个多面体单元（由～2.4M四面体单元转换而来）的最终网格，具有多达10个棱镜层进行近壁细化（见S2图）。对于每种Re条件，在入口表面提供完全发展的抛物线速度曲线，而在出口表面规定流出条件，并保证壁面的无滑移速度条件。瞬态公式使用二阶隐式方案，时间步长为 10?3s，以确保良好的准确性。为了减少非结构化三维网格中的数值扩散，该文采用二阶上风方法对平流项进行离散化。然后使用分离求解器求解生成的方程组。SIMPLE算法用于通过耦合速度和压力来求解控制方程。

LES 详细信息。

大型涡流模拟（LES）使用Smagorinsky-Lilly子网格尺度模型[41]的动态版本进行，以检查上气道几何形状中的非定常流动。先前的研究表明，该模型在人体气道的过渡流中表现良好[24]。气流由一组过滤的不可压缩纳维-斯托克斯方程描述。

为了为CFD模型生成适当的入口速度条件，使用了映射的入口（或回收）边界条件[42]。为了应用此边界条件，入口处的管道延伸长度等于其直径的十倍。管段最初由在单独的管流LES中产生的瞬时湍流速度场供给。在仿真过程中，从管域中平面开始的速度场映射到入口边界。应用速度缩放以强制执行指定的体积流速。以这种方式，在延伸的管道部分维持湍流，并且湍流速度分布进入入口。在模型的出口（下气管）处，规定了均匀的压力。对气道壁施加无滑移速度条件。

控制方程使用有限体积方法离散化，并使用开源CFD代码OpenFOAM求解[43]。该方案在空间和时间上都是二阶精确的。为确保数值稳定性，使用的最终时间步长为 5 × 10?7s.基于网格灵敏度分析，总共使用了9.2M单元来为LES提供足够的网格分辨率（见S3图）。具体而言，在入口 Re = 9'2 处比较了粗（25.7M 个单元）和精细（000M 个单元）两种网格分辨率的归一化时间平均速度和湍流动能 （TKE） 预测。图1显示了沿喉部（A-A'）、声门（B-B'）和上气管（C-C'）三个站点的一维速度幅度分布的比较。我们发现两个网格决议之间非常一致，确保了所选的 LES 分辨率的充分性。

缩略图 下载：

.PPT幻灯片

.PNG大图

.TIFF原始图像

图2. 大涡模拟 （LES） 网格灵敏度分析 （Re = 7'000）。

归一化时间平均速度大小（第一列）和湍流动能（第二列）的一维剖面图的比较，由平均入口速度u归一化在，分别沿喉部（A-A'）、声门（B-B'）和上气管（C-C'）在三个站（见插图;右上图）呈现，用于两种网格分辨率：（i）粗（9.2M细胞）和（ii）细（25M细胞）。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.g002

结果和讨论

声门射流特性

通过人类喉部的血流，即连接口腔和呼吸气道的通道，由称为声门的瓣膜状收缩调节。在吸入过程中，这种收缩形成一股空气射流，延伸到气管中，称为声门或喉射流。声门射流体现了上气道中最主要的流动特征，在语音和语音的产生中得到了广泛的研究[44]，以及它在混合和消散吸入气溶胶团中的作用[3，20，45]。通过绘制最高流速情况（Re = 7'000）的速度大小等值线，我们清楚地观察到特征结构，即在收缩内和下游延伸并进一步向下游消散的高速流动区域（图3a-c）。在我们理想化的几何学中，我们观察到一个大部分对称的声门射流，而在更真实的患者特定解剖结构中预计会出现不对称;这种现象也称为声门射流偏斜[44]。我们简要指出，通常，有限速度数据在模型壁附近通过实验求解（图3a和3d）;这是PIV技术的一个众所周知的局限性，通常是由于壁上示踪颗粒的浓度降低或损失，以及无滑移条件（以及可能的壁反射）导致的显着流动梯度[46]。

缩略图 下载：

.PPT幻灯片

.PNG大图

.TIFF原始图像

图3. 高层扫描PIV （TPIV）、雷诺平均纳维斯托克斯（RANS）和大涡模拟（LES）在高流速情况下（Re = 7'000）的流动特性比较。

上行：沿矢状面中部的速度幅度等值线以及几个正交横向平面，以说明流动的 3D 特征。底行：湍流动能 （TKE） 轮廓绘制在矢状面中部。结果总体上与强相似性吻合良好，但派生 TKE 值揭示了更细微的差异。具体来说，RANS低估了喷气式飞机尾流附近的峰值TKE值，而TPIV数据引入了背景噪声。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.g003

已知声门收缩是湍流的来源，尽管雷诺数相对较低（O（103)) [10]. 声门自由射流等剪切流可以降低临界雷诺阈值，但仍会产生湍流动能（TKE）;与经典湍流分析中使用的涡流和其他相干流动结构的形成相关的关键特征。在所检查的情况下，气流在低流速情况下以层流状态进入口腔（Re = 1'500）。然而，由于弯曲和收缩等几何效应，下游会产生低水平的湍流。相比之下，对于中等和高流速情况（Re = 4'500和Re = 7'000），气流现在在湍流条件下进入嘴口。在图 3d–f 中，我们在较高的雷诺数情况下（Re = 7'000）绘制了三种模态（TPIV、RANS 和 LES）沿矢状面中部平面的平均流量 TKE 轮廓。虽然所有三种模式之间的速度大小等值线非常一致，但我们观察到 TKE 结果之间存在差异。首先，TKE的最大值在射流下游尾流中，在与静止流体的剪切界面处不同;例如，Lin等人[20]先前在患者特异性几何中报道了这一观察结果，同时Das等人使用相同的识别理想化口喉几何[3]。

对于所有三种模式，我们观察到一个共同特征，即存在源自声门的最大 TKE 值的细条纹，该条纹逐渐扩大并扩散到气管下游。在实验和 RANS 中，形状似乎非常一致，而对于 LES 的峰值 TKE 条纹则更加强调。然而，RANS 模拟报告的峰值 TKE 值相对于 TPIV 和 LES 都低 60% 以上，而声门上游 TKE 的背景基础水平在 TPIV 测量中得到解析（即 1-2 m/s），但在 RANS 中不存在（即接近零 TKE 的基线），而在 LES 中则低得多（即 <1 m/s）。众所周知，TKE的差异对预测吸入性气溶胶分散在肺部具有潜在的影响[8]。值得注意的是，当仅使用（时间平均）RANS速度场时，使用RANS获得的TKE水平显着降低会导致粒子沉积的高估[23，47]。事实上，在湍流中存在显着的大尺度各向异性的区域，湍流色散在颗粒传输中起着重要作用，并倾向于减少沉积。因此，RANS通常与湍流色散模型一起使用，以提供改进的沉积预测。相比之下，由于LES解析了大规模的涡流，因此在处理含颗粒的流动时不需要额外的分散模型[48]。

接下来，我们比较低（Re = 1'500）和中等（Re = 4'500）流速情况的测量值，绘制为图4中与速度矢量叠加的速度大小等值线。我们简要注意到，实验模型的宽度相对于所示数值的尺寸偏差很小（即偏差量级为<5%），这可能是由体积校准步骤和硅胶模型本身的物理顺应性引起的（也见于图3d-f）。考虑到这些差异，我们仍然坚持观察上述常见的喉射流结构，并在所有流速中存在，强调射流现象如何一致地缩放。在图1a-c绘制的低流速情况下（Re = 500'4），我们观察到最弱的射流，峰值速度值为～2 m/s，上游和下游流量为～1 m/s，剪切界面处的逆流接近于零。对于图4d-f中绘制的中间流速（Re = 500'4），我们观察到相同的射流结构，具有更高的峰值速度值（～5 m / s）和剪切界面右侧相同的接近零的逆流。最后，我们在图7g–i中绘制了高流速情况（Re = 000'4），最高峰值速度值为>9 m/s。我们注意到，剪切界面右侧的近零逆流在中高Re情况下几乎相同，而在低Re情况下略低。虽然这三种模态在低Re情况下非常一致，但我们在中高Re流中观察到，RANS仿真也没有捕获零流接口，这也解释了图3e前面讨论的较低TKE值，因为湍流速度波动的常见能量来源在于平均流中存在剪切。

thumbnail 下载：

.PPT幻灯片

.PNG大图

.TIFF原始图像

图4. 感兴趣区域 （ROI） 中矢状面上喉射流变化的流动表征。

结果分别表示为 TPIV、RANS 和 LES 的入口雷诺数的函数。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.g004

二次流

在下一步中，我们比较声门收缩下游的后续二次流。图 5 绘制了三种模态和流速中每种模式的速度大小等值线和速度矢量，从而得到一个 3 x 3 矩阵。类似地，如沿矢状面中部所见（图4），基本流动特征在Re变化方面基本不变，而随着Re数的增加，流动幅度如预期的那样变化。

thumbnail 下载：

.PPT幻灯片

.PNG大图

.TIFF原始图像

图5. 喉射流的流动表征，在横平面上与雷诺变化，将射流的尾流一分为二。

结果分别表示为 TPIV、RANS 和 LES 的入口雷诺数的函数，并举例说明了 2D 切割平面中重建的流线（有关切割平面的位置，请参见图 6a 中的线 C）。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.g005

在这里，我们观察到一对反向旋转的涡流，经典地称为迪恩涡旋，起源于喉几何的曲率。院长数定义为 Dn = Re，其中 r 表示曲率半径，D 表示气道的横截面直径。在我们的分析中，由于静态定义的几何（即r和D是常数），Dean数仅随Re而变化。因此，我们对越来越强的迪恩涡流的测量与增加的Re相关，如图5所示。我们在这里注意到，与数值模拟中的圆形横截面（RANS 和 LES）相反，二维中的横截面呈矩形;体积照明技术的结果，该技术涉及刀口将激光形成棱镜（见图2，以及随后在1D中执行的后处理掩蔽步骤）。

一维速度曲线

在最后一步中，我们通过同时绘制一维速度大小曲线来比较实验方法和数值方法之间的详细流动特性。为此，我们首先确定将几何形状一分为二的矢状面中部（参见图1a中的虚线）和通过TPIV实验成像的区域（参见图6和S1）。在这个方向上，入口在法线方向上观察，并给出较小的等轴测视图作为参考。选择横跨矢状面中部的四条横向线（标记为A至D）来绘制一维速度曲线，如图1b所示。

thumbnail 下载：

.PPT幻灯片

.PNG大图

.TIFF原始图像

图6. Re = 1'7 情况下的一维速度幅度曲线。

（a）：用于制造实验模型和计算网格的全口喉模型几何形状示意图（见等轴测视图）。注意到通过激光照射的区域（感兴趣区域）并使用断层粒子图像测速法（TPIV）成像的区域，以及横跨矢状面中部的四条线（标记为A-D）。（b） 沿带注释的A-D线的一维速度分布比较。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.g006

对于四条线中的每一条线，所有三种模态（即 TPIV、RANS 和 LES）之间都观察到良好的一致性，由于相对于线 B-D 的 y 轴范围较短，A 线的变化略有明显。我们观察到沿A线的TPIV和LES速度幅度曲线非常相似（即LES超过TPIV值最多1-2%），其特征是不对称的双峰，较高的峰值在无量纲x轴的左侧。相比之下，RANS曲线具有一对更对称的峰，与TPIV测量值的偏差为<4%。对于B-D线，在所有模态之间观察到极好的一致性（<1%偏差）。

结论

目前的工作受到对实验解析的3D流动数据的持续需求，以提高计算流体动力学（CFD）模拟的有效性和准确性，以解决上部和胸外气道中的湍流气流，以实现各种吸入疗法和治疗或毒性剂量学应用。据我们所知，本文介绍的研究结果是基准解剖学口腔 - 喉咙模型中呼吸气流的第一个详细的体外 - 计算机相关性。我们发现，RANS k-ω SST模型充分预测了跨越3'1至500'7的Re数的速度流模式，支持与计算成本更高的LES模型非常接近的结果。然而，RANS大大低估了湍流动能（TKE），从而证明了LES作为高阶湍流建模方案的优越性。通过密切关注各种呼吸学科的最终用户应用，研究人员可以将这些验证数据与开放访问文件（参见SM）结合使用，以改进预测性CFD模型。

支持信息

断层粒子图像测速（TPIV）实验装置。

显示 1/6： pcbi.1010537.s001.eps

跳到无花果共享导航

抱歉，我们无法预览此文件

1 / 6

下载

无花果分享

S1 图 断层粒子图像测速（TPIV）实验装置。

答：在实验室拍摄 B：示意图。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.s001

（每股收益）

S2 图 雷诺平均纳维-斯托克斯 （RANS） 仿真中使用的有限元网格。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.s002

（蒂夫）

S3 图 大涡模拟 （LES） 网格细化和模型方案比较。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.s003

（每股收益）

S1 文本。 兰斯方程。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.s004

（英文）

S1 数据。 口喉几何 STL 文件。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.s005

（STL）

S2 数据。 修改的口喉几何文件，用于3D打印用于制造硅模型的模具。

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1010537.s006

（STL）

引用

1.Shinneeb AM，Pollard A.从POD重建的速度场鉴定人类咽/喉区域内的涡结构。流体实验。2012;53:353–367.

查看文章谷歌学术搜索

2.崔杰， 陶海 MH， 霍夫曼， 林珂.关于人肺中气流的受试者内和受试者间变异性。流体物理学。2009;21(10):101901.密码：19901999

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

3.Das P，Nof E，Amirav I，Kassinos SC，Sznitman J.靶向吸入气溶胶输送到儿童上呼吸道：来自计算流体动力学（CFD）的见解。公共图书馆一号。2018;13：e0207711.密码：30458054

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

4.Koullapis P， Ollson B， Kassinos SC， Sznitman J. 气溶胶吸入疗法和药物递送的多尺度计算机肺建模策略。生物医学工程的当前观点。2019;11:130–136.pmid：34642646

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

5.Koullapis P， Ollson B， Kassinos SC， Sznitman J. 气溶胶吸入疗法和药物递送的多尺度计算机肺建模策略。生物医学工程的当前观点。2019;11:130.pmid：34642646

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

6.王CC， Prather KA， Sznitman J， Jimenez JL， Lakdawala SS， Tufekci Z， et al.呼吸道病毒的空气传播。科学。2021;373.密码：34446582

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

7.Darquenne C， Borojeni AAT， Colebank MJ， Forest MG， Madas BG， Tawhai M， et al. 气溶胶运输建模：个体和人群肺部感染之间的关键环节。生理学前沿。2022;0:1173.密码：35795643

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

8.Sommerfeld M， Sgrott OL， Taborda MA， Koullapis P， Bauer K， Kassinos S. 应用RANS的肺模型中流场和湍流预测的分析以及对颗粒沉积的影响。欧洲药学杂志。2021;166:105959.密码：34324962

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

9.最长的PW，Hindle M，Choudhuri SD.生成时间对口喉几何模型中喷雾气溶胶传输和沉积的影响。J气雾剂医学普尔姆药物Deliv。2009;22:67–83.

查看文章谷歌学术搜索

10.Suh J， Frankel SH. 比较通过刚性声门模型的流动湍流模型。美国声学学会杂志。2008;123:1237.pmid：18345812

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

11.顾琪， 齐思， 岳毅， 沈军， 张斌， 孙文， 等.肺癌左上肺叶切除术后气管支气管树的结构和功能改变。生物医学英昂林。2019;18:1–18.密码：31653252

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

12.罗海，刘妍.模拟CT扫描人肺气道中的分叉流。J 生物机甲。2008;41:2681–2688.密码：18667205

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

13.Krause F， Wenk A， Lacor C， Kreyling WG， M?ller W， Verbanck S. 纳米颗粒在胸外口腔气道模型中沉积的数值和实验研究。气溶胶科学杂志 2013;57：131–143.

查看文章谷歌学术搜索

14.三代人肺气道模型中两流速下吸气和呼气流量的实验和数值研究.呼吸生理学和神经生物学。2019;262:40–48.

查看文章谷歌学术搜索

15.齐思， 张斌， 岳毅， 沈军， 滕毅， 钱文， 等.使用基于CT图像的模型和CFD方法模拟气管支气管受试者气管支气管树中的气流。J Med Syst. 2018;42：1–15.邮编：29497841

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

16.Riazuddin VN， Zubair M， Abdullah MZ， Ismail R， Shuaib IL， Hamid SA， et al.人体鼻腔吸气和呼气流量的数值研究。医学与生物工程杂志。2011;31:201–206.

查看文章谷歌学术搜索

17.基于解剖学的人体大中型气道模型中气溶胶沉积的CFD模拟。生物医学工程年鉴。2009;37:271–285.密码：19082892

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

18.斯台普尔顿KW，冈奇E，霍斯金森MK，芬利WH。关于k-ε湍流模型对口腔和咽喉气溶胶沉积的适用性：与实验的比较。气溶胶科学杂志。2000;31:739–749.

查看文章谷歌学术搜索

19.最长的PW，Vinchurkar S.验证呼吸气溶胶沉积的CFD预测：上游过渡和湍流的影响。生物力学杂志。2007;40:305–316.

查看文章谷歌学术搜索

20.Lin CL， Tawhai MH， McLennan G， Hoffman EA. 湍流喉射流的特征及其对人胸内气道气流的影响.呼吸生理学和神经生物学。2007;157:295–309.密码：17360247

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

21.库拉皮斯PG，卡西诺斯SC，比沃拉罗娃议员，梅利科夫AK。人体导电气道真实几何形状中的颗粒沉积：入口速度分布、吸入流速和静电荷的影响。生物力学杂志。2016;49:2201–2212.密码：26806688

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

22.Jayaraju ST，Brouns M，Lacor C，Belkassem B，Verbanck S.人类口腔 - 喉咙中流体流动和颗粒沉积的大涡和分离涡模拟。气溶胶科学杂志。2008;39(10):862–875.

查看文章谷歌学术搜索

23.库拉皮斯 P， 卡西诺斯 SC， 穆埃拉 J， 佩雷斯-塞加拉 C， 里戈拉 J， 莱姆库尔 O， 等.人体气道中的区域气溶胶沉积：SimInhale基准案例和计算机方法的关键评估。欧洲药学杂志。2018;113:77–94.密码：28890203

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

24.Janke T，Koullapis P，Kassinos SC，Bauer K. SimInhale基准案例的PIV测量。欧洲药学杂志。2019;133:183–189.密码：30940542

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

25.Kleinstreuer C， Zhang Z. 人体呼吸系统中的气流和颗粒传输.流体力学年度回顾。2010;42(1):301–334.

查看文章谷歌学术搜索

26.Farley J，Thomson SL.在几何现实模型中获取详细的喉流测量值。美国声学学会杂志.2011;130（2）：EL82–EL86.密码：21877775

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

27.通过PIV对人体气道中的呼吸气流进行的研究。可视化杂志。2009;12(3):259–266.

查看文章谷歌学术搜索

28.班科 AJ， 科莱蒂 F， 斯基亚瓦齐 D， 埃尔金斯 CJ， 伊顿 JK.人体上气道和中央气道的三维吸气流。流体实验。2015;56:1–12.

查看文章谷歌学术搜索

29.Jalal S，Moortele TVD，Amili O，Coletti F.人类支气管树中的稳定和振荡流动。物理复查液。2020;5:063101.

查看文章谷歌学术搜索

30.肯杰雷斯 S， 金 JL.人类上呼吸和中枢呼吸系统中磁性药物气溶胶靶向输送的数值模拟：验证研究。皇家学会开放科学。2017;4.密码：29308230

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

31.席J，最长的PW。微气溶胶在口腔气道的真实和简化模型中的运输和沉积。生物医学工程年鉴。2007;35(4):560–581.密码：17237991

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

32.程玉.胸外区域的气溶胶沉积。气溶胶科学与技术。2003;37(8):659–671.密码：19011693

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

33.弗里林克 HW，布尔 AHD。用于肺部药物输送的干粉吸入器。2005;1:67–86.

查看文章谷歌学术搜索

34.Nof E， Artzy-Schnirman A， Bhardwaj S， Sabatan H， Waisman D， Hochwald O， et al.通气诱发的上皮损伤在体外驱动肺创伤的生物学发作，并通过预防性抗炎疗法得到缓解。生物工程与转化医学。2021;第E10271页。密码：35600654

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

35.Nof E， Heller-Algazi M， Coletti F， Waisman D， Sznitman J. 通气诱导射流提示插管新生儿重建气道中的生物创伤。英国皇家学会界面杂志。2020;17:20190516.密码：31910775

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

36.Menter FR. 空气动力流的分区二方程 k-ω 湍流模型。AIAA文件93-2906。1993;.

37.用于工程应用的双方程涡-粘度湍流模型。美国建筑师协会期刊。1994;32:1598–1605.

查看文章谷歌学术搜索

38.张Z，克莱因斯特鲁尔C.局部收缩管道中的低雷诺数湍流：一项比较研究。美国建筑师协会期刊。2003;41(5):831–840.

查看文章谷歌学术搜索

39.尚毅， 董军， 田林， 英塔旺， 涂军. 扩展呼吸气道模型中流动动力学的详细计算分析.临床生物力学。2019;61:105–111.密码：30544055

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

40.Tabe R，Rafee R，Valipour MS，Ahmadi G.在人类上呼吸道的真实模型中研究不同活动条件下的气流。生物力学和生物医学工程中的计算机方法。2021;24(2):173–187.密码：32940084

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

41.莉莉·对Germano亚电网规模闭合方法的拟议修改。流体物理学A：流体动力学。1992;4(3):633–635.

查看文章谷歌学术搜索

42.塔博尔G，韦勒HG。基于ξ火焰表面起皱模型的预混湍流燃烧大涡模拟.流动、湍流和燃烧。2004;72(1):1–27.

查看文章谷歌学术搜索

43.Jasak H. OpenFOAM：研究和工业中的开源CFD。国际造船与海洋工程杂志。2009;1:89–94.

查看文章谷歌学术搜索

44.米塔尔 R， 埃拉斯 BD， 普莱斯尼亚克 MW.人类发声和言语的流体动力学。2013;45:437–467.

查看文章谷歌学术搜索

45.席J，最长的PW，马托宁结核病。喉射流对上气管支气道近似模型中纳米和微粒运输和沉积的影响。应用生理学杂志。2008;104(6):1761–1777.pmid：18388247

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

46.卡勒 CJ， 沙尔诺夫斯基 S， 西尔普卡 C.关于数字PIV和PTV近墙的不确定性。实验流体。2012;52:1641–1656.

查看文章谷歌学术搜索

47.Matida EA，Finlay WH，Lange CF，Grgic B.改进了理想化口喉中气溶胶沉积的数值模拟。气溶胶科学杂志。2004;35(1):1–19.

查看文章谷歌学术搜索

48.Armenio V， Piomelli U， Fiorotto V. 子网格尺度对粒子运动的影响.流体物理学。1999;11(10):3030–3042.

查看文章谷歌学术搜索