Characteristic models of human airways through age for aerosol deposition studies : CFD analysis and experimental validation

The present work provides two realistic 3D models of healthy respiratory system, that represent respectively the airways of a child and an elderly person. Analysis of fluid dynamics inside the two models was performed in sedentary breathing conditions, both in stationary and transient regime. Then, a stationary analysis of aerosol deposition was conducted for particles having diameters of 3, 7, 10 and 25 µm, which was validated both for the child and the elderly model respectively down to the 6th and 4th generation through comparisons with computational and experimental studies from literature. Deposition was also evaluated in transient regime only for particles having a 7 µm diameter. Subsequently, obtained results for both models were compared to those relative to an annexe study conducted on a model of adult airways. Finally, a qualitative experimental validation was carried for results obtained through CFD: adult, child and elderly models were 3D printed and inserted in a setup that simulated aerosol deposition in sedentary breathing conditions. Experimental results showed good agreement with CFD results.

Il presente lavoro fornisce due modelli 3D realistici di sistema respiratorio, rappresentanti rispettivamente le vie aeree di un bambino e di una persona anziana, entrambi sani. È stata analizzata la fluidodinamica all’interno dei modelli tramite CFD in un contesto sedentario e quindi di respiro tranquillo, sia in condizioni stazionarie che tempo-dipendenti. Successivamente è stata condotta un’analisi stazionaria di deposizione di aerosol avente particelle di diametro pari a 3, 7, 10 e 25 µm, che è stata validata sia per il modello bambino che per il modello anziano rispettivamente fino alla 6^ e alla 4^ generazione tramite confronti con studi di letteratura sperimentali e computazionali. La deposizione è stata poi valutata anche in regime transitorio solo per le particelle di dimensione pari a 7 µm. I risultati ottenuti per entrambi i modelli sono poi stati confrontati con quelli relativi a uno studio annesso condotto su un modello di vie aeree di paziente adulto. Infine, è stata condotta una validazione sperimentale qualitativa dei risultati di deposizione ottenuti tramite CFD: i modelli adulto, bambino ed anziano sono stati stampati in 3D e inseriti in un setup utilizzato per la simulazione di deposizione di aerosol in condizioni di respiro sedentarie. I risultati ottenuti negli esperimenti hanno mostrato buone analogie con i risultati CFD.