Studio comparativo di modelli di turbolenza LES all'interno di una cavità nasale

This thesis is part of a greater project, called openNOSE, developed in collaboration with A.O. San Paolo di Milano and Università degli studi di Milano with the purpose of developing an efficient and robust procedure in order to assist surgeons in their everyday clinical practice. In particular, this work aims at investigating the behaviour of 4 LES (Large Eddy Simulation) models (WALE, dynamicKEqn, kEqn, Smagorinsky) within a nasal cavity and assessing their effectiveness through the comparison of the results obtained by a DNS (Direct Numerical Simulation). The 3D model of the nasal cavity has been built from the CT scan data through an efficient computational procedure, completely based on an open-source software. The numerical simulations have been carried out for a steady inspiration, with reference to a volumetric flow rate of 19 l/min. The simulations have been performed on a computational grid of about 12 million of cells, by means of the OpenFOAM tool, a C++ package widely used for industrial and academic applications, on the GALILEO cluster of the CINECA HPC center. The post-processing of results has been made with Paraview, Octave and a FORTRAN90 code. In particular, the mean velocity field obtained with the WALE and dynamicKEqn models, have shown the smaller differences with respect to the other two models, in comparison with the DNS one, especially in low turbulent intensity regions.

Il presente lavoro di tesi si innesta all'interno di un progetto più ampio,di nome openNOSE condotto in collaborazione con il gruppo di otorinolaringoiatria dell'A.O. San Paolo di Milano e con l'Università degli studi di Milano, al fine di sviluppare una procedura CFD robusta ed efficiente, interamente basata su strumenti open-source, che possa essere di ausilio alle attività di medici e chirurghi, nell'ambito della cura delle patologie nasali. Un’accurata predizione del campo di moto all'interno delle cavità nasali del paziente può infatti costituire un potente strumento di indagine di supporto ai chirurghi nella pianificazione degli interventi, consentendo di ottenere una riduzione dei tempi e dei costi ad essi collegati. In particolare, il lavoro di tesi ha l’obiettivo di studiare il comportamento di 4 modelli di turbolenza LES (Large Eddy Simulation) all’interno di una cavità nasale, analizzandone quantitativamente l’efficacia rispetto ad una DNS (Direct Numerical Simulation). I modelli indagati sono WALE (Wall-Adapting-Local-Eddy-Viscosity), un modello ad una equazione nella sua versione statica e dinamica (kEqn e dynamicKEqn) ed il modello di Smagorinsky. Congiuntamente all’analisi comparativa dei 4 modelli LES sopracitati rispetto alla DNS, il presente lavoro ha riguardato anche il miglioramento dell’efficienza della procedura computazionale, mediante l’introduzione di un volume sferico ausiliario esterno alle narici appositamente studiato al fine di ottimizzare le dimensioni del volume d’aria esterno da simulare. La cavità nasale è stata ricostruita sulla base di una scansione CT di un paziente. È stata indagata la fase di inspirazione stazionaria, facendo riferimento ad una portata di 19 litri/min. Le simulazioni sono state condotte su una griglia di calcolo di circa 12 milioni di elementi, in ambiente OpenFOAM, un pacchetto di applicazioni, utilities e librerie in C++ di vasto impiego sia in ambito accademico che industriale. Il post-processing dei risultati è stato effettuato mediante ParaView mentre la rielaborazione dei dati numerici ottenuti dalle simulazioni è stata realizzata tramite Octave e un codice ad hoc FORTRAN90. Le simulazioni sono state effettuate sul supercomputer GALILEO del centro di calcolo CINECA. L’analisi dei risultati ha messo in luce alcune differenze nel comportamento dei quattro modelli utilizzati nella predizione della corrente media rispetto alla simulazione numerica diretta DNS. In particolare, i modelli WALE e dynamicKEqn hanno mostrato un comportamento più vicino a quello della soluzione laminare, in particolare nelle regioni caratterizzate da bassa viscosità cinematica turbolenta.