Parametrización de un modelo 3D del pulmón para estudios de dinámica de fluidos computacional

Abstract

La geometría del pulmón humano consiste en una serie de bifurcaciones dicotómicas que resultan en una complejo entramado de conductos. En la literatura podemos encontrar varios intentos de describir esta geometría a través de simplificaciones para resolver el flujo de aires mediante técnicas CFD. Las simplificaciones son necesarias puesto que la simulación del pulmón completo aún no es posible con las capacidades de computación actuales.

Se ha desarrollado un modelo numérico 3D del árbol bronquial desde la tráquea hasta la generación 17 siguiendo el modelo desarrollado por Weibel y Kitaoka. La principal innovación es la aplicación del dibujo paramétrico a la edición del modelo.

El objetivo principal es disponer de un modelo simplificado del pulmón que permita resolver el flujo de aire en todas las escalas del mismo sin la necesidad de disponer de tamaños de malla y tiempos de computación prohibitivos. El método de simplificación se basa en simular sólo uno de los dos caminos posibles en cada bifurcación.

The morphology of the human lung consists of a series of dichotomous bifurcations that result in a complex branching network. Several idealized descriptions of this morphology have been proposed in the technical literature in order to generate relative simple geometries than can be used to resolve the flow with a proper CFD code. However, the simulation of the entire lung excluding the alveolar region is still beyond the actual computational capacities.

A 3D numerical model of the bronchial tree has been developed, from the trachea to the seventh level bronchioles, following the model developed by Weibel and Kitaoka. The main innovation is the parametric geometry applied to the model.

The main objective of the investigation is to develop a simplified morphology of the lung that can allow resolving the flow at all scales simultaneously while avoiding prohibitive mesh sizes and computational times. The methodology is based on the simulation of only one of the two possible branches in each bronchiole.