Numerical and experimental study of nasal flow in realistic geometry

Etude numérique et expérimentale de l'écoulement nasal dans des géométries réalistes

Céline Croce (1)

1 Fonctions Cellulaires et Moleculaires de l'Appareil Respiratoire et des Vaisseaux

The inspiratory gas flow in nasal Upper Airways (UA) is studied in steady conditions both experimentally and numerically using three geometries selected for their highly realistic character: a post mortem nasal geometry obtained from a plastinated head, and two UA geometries (“healthy” and “pathological”) obtained in vivo from tomodensitometric data of patients. The model of plastinated nose is also scanned and its geometry numerically reconstructed in 3D. The numerical study (CFD computation) consists in solving Navier-Stokes equations in each 3D reconstructed geometry after facetization (Amira) and generation of different volumetric meshes (Amira ou Gambit TGrid), in laminar and/or turbulent regimes and inspiratory flow rates up to 1 L/s. The experimental study consists in measuring the relationship between pressure drop and flow rate up to 1.5 L/s between the entry region of the nose and the outlet of UA, on the plastinated nose model and on the physical model of healthy UA obtained by stereolitography. After defining the characteristics sections in each model based on anatomical and mechanical criteria, the central axis is defined by segments as a line joining the median point in each section and their validation is performed using the acoustic reflection method in the plastinated nose model. Results concerns: (i) the experimental - numerical comparison using the global pressure drop in two models showing a discrepancy smaller than 10% up to a flow rate of 0.4 L/s; (ii) the comparative characterization of three geometries from the evolution along the nasal axis of values of area, the hydraulic diameter and local Reynolds number; (iii) the relative magnitude of the three streams associated to the turbinates, (iv) the pressure drops and kinetic energy variation versus Reynolds number defined globally or by segments. On the whole, the results reveal the highly complex character of the nasal flow. Although nasal flow is essentially laminar, it is perturbed by the rapid succession of geometrical changes along the nasal axis. Although plastinated nose model exhibit a similarity between right - left nostril flows, in vivo geometry do not likely due to vasomotors phenomena. This study confirms the interest of using CFD in proper reconstructed nasal geometry of patients.

L'écoulement gazeux inspiratoire dans les Voies Aériennes Supérieures (VAS) nasales est étudié en condition stationnaire numériquement et expérimentalement dans trois géométries choisies pour leur caractère particulièrement réaliste : une géométrie nasale post mortem issue d'un modèle de tête plastinée, et deux géométries VAS (l'une « saine », l'autre « pathologique ») obtenues in vivo à partir de données tomodensitométriques de patients. Le modèle de « nez plastiné » est lui aussi scannographié et sa géométrie est numériquement reconstruite en 3D. L'étude numérique (calcul CFD) consiste à résoudre les équations de Navier-Stokes dans chaque géométrie reconstruite en 3D après facétisation (sur Amira) puis génération de différents maillages volumiques (Amira ou Gambit TGrid), en régime laminaire et/ou turbulent et des débits inspiratoires jusqu'à 1 L/s. L'étude expérimentale consiste à mesurer les relations chute de pression - débit (jusqu'à 1,5 L/s) entre la région d'entrée du nez et la sortie des VAS, sur le modèle de nez plastiné et sur le modèle physique des VAS saines obtenu par stéréolithographie. Après définition des sections d'intérêt de chaque modèle sur des critères anatomiques et mécaniques, l'axe central est défini par tronçon comme la ligne joignant les points médians des sections et leur validation est faite à l'aide de la méthode de réflexion acoustique sur le modèle de nez plastiné. Les résultats concernent: (i) la comparaison expérimentale-numérique conduite sur la chute de pression globale dans deux modèles qui montre un écart inférieur à 10% jusqu'à un débit de 0,4 L/s ; (ii) la caractérisation comparée des trois géométries à partir de l'évolution sur l'axe du nez des valeurs d'aire, de diamètre hydraulique et du nombre de Reynolds local ; (iii) l'importance relative, au demeurant très variable en fonction de la géométrie de chaque modèle, des trois courants délimités par les cornets inférieur, moyen et supérieur ; (iv) les pertes de charge et les variations d'énergie cinétique en fonction du nombre de Reynolds, définis globalement ou par tronçon. Dans l'ensemble, les résultats révèlent le caractère complexe de l'écoulement nasal : essentiellement laminaire mais perturbé par la succession des changements géométriques le long de l'axe nasal, présentant une similitude entre narines gauche et droite dans la géométrie de nez plastiné mais non observée dans la géométrie in vivo, probablement en raison des phénomènes vaso-moteurs. Cette étude confirme l'intérêt d'utiliser la CFD dans la géométrie nasale propre à chaque patient.

Mots clés: upper airways; 3D reconstruction; inspiratory flow; Reynolds number; pressure drop; Moody diagram

Mots clés: voies aériennes supérieures; reconstruction 3D; CFD; écoulement inspiratoire; nombre de Reynolds; pertes de charge; diagramme de Moody

Domaines: Sciences du Vivant [q-bio]

Céline Croce. Etude numérique et expérimentale de l'écoulement nasal dans des géométries réalistes. Sciences du Vivant [q-bio]. Université Paris XII Val de Marne, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00116937v1⟩