The aim of this thesis is to investigate nasal cavity flow using computational fluid dynamics (CFD). In detail, this thesis aims to address a very specific issue, namely whether anatomical alterations that require surgical corrections, such as for example hypertrophy and deviation of the nasal septum, can somehow leave a footprint and manifest itself in the exhaled flow outside the nasal cavities. The potential idea is to exploit optical visualization techniques, such as Schlieren methodologies, to photograph the external flowfield in patients with pathologies: if correlations could be find between pathologies and the structure of the flowfield, it could be provided a diagnosis based on simple external visualizations. In order to investigate such correlations, high fidelity compressibile and heat-exchange LES simulations were performed within the Openfoam environment. Two patients, P1 and P2 respectively, were considered, for which 3 simulations each took place for a total of 6 simulations: two simulations for the geometries without anomalies, two for geometries with left inferior hypertrophy and two for geometries with deviation of the right nasal septum. The results were then studied and compared to identify similarities and differences in terms of the quantities characterizing the flowfield such as velocity, temperature, density gradient. Obviously, to recognize common correlation patterns requires a substantial number of simulations and patients geometry: the objective of this thesis is so limited to verify the feasibility of the idea by studying the existence of such correlation patterns.
Il presente lavoro ha come obiettivo indagare il flusso nelle cavità nasali sfruttando la fluidodinamica computazionale (CFD). Nonostante diverse tecniche chirurgiche siano al giorno d'oggi a disposizione per interventi a livello di naso e gola, la CFD può sicuramente essere uno strumento di affiancamento molto potente, volto a ottimizzare la comprensione dell'interazione fra anatomia e fisiologia. Nel dettaglio, questa tesi si propone di affrontare una questione molto specifica, ovvero se le alterazioni anatomiche che richiedono correzioni chirurgiche, quali per esempio ipertrofia e deviazione del setto nasale, possano in qualche modo lasciare un'impronta e manifestarsi nel flusso espirato al di fuori delle cavità nasali. Al fine di indagare tali correlazioni, sono state svolte diverse simulazioni LES (large eddy simulations) ad alta fedeltà e accuratezza, all'interno dell'ambiente OpenFoam. Sono stati presi in considerazioni due pazienti, indicati rispettivamente P1 e P2, per i quali si sono svolte 3 simulazioni ciascuno: una simulazione per la geometria priva di anomalie, una per geometria con ipertrofia inferiore sinistra e una per la geometria con deviazione del setto nasale destro. I risultati sono stati poi studiati e comparati per individuare analogie e (soprattutto) differenze in termini delle maggiori quantità caratterizzanti il campo di moto: particolare attenzione è stata data al campo gradiente di densità. L'idea potenziale è di fatti quella di poter sfruttare tecniche di visualizzazioni ottiche, quali metodologie Schlieren, per poter fotografare il campo di moto esterno in pazienti con patologie. Tali visualizzazione forniscono principalmente risultati in termini di gradienti di densità: se si riuscisse quindi a trovare delle correlazioni fra patologie e struttura del campo di moto, si potrebbe fornire una diagnosi basandosi su semplici visualizzazioni esterne. Ovviamente, per riconoscere pattern comuni di correlazione occorrono un numero sostanziale di simulazioni e di pazienti, nonché la costruzione di un folto dataset di casistiche volto ad un analisi tramite algoritmi di machine learning: l'obiettivo di questa tesi è circoscritto a verificare la fattibilità dell'idea studiando, in primo luogo, l'esistenza di tali correlazioni.
A patient-specific CFD study of expiration for normal and pathological nasal anatomies
Armellini, Riccardo
2022/2023
Abstract
The aim of this thesis is to investigate nasal cavity flow using computational fluid dynamics (CFD). In detail, this thesis aims to address a very specific issue, namely whether anatomical alterations that require surgical corrections, such as for example hypertrophy and deviation of the nasal septum, can somehow leave a footprint and manifest itself in the exhaled flow outside the nasal cavities. The potential idea is to exploit optical visualization techniques, such as Schlieren methodologies, to photograph the external flowfield in patients with pathologies: if correlations could be find between pathologies and the structure of the flowfield, it could be provided a diagnosis based on simple external visualizations. In order to investigate such correlations, high fidelity compressibile and heat-exchange LES simulations were performed within the Openfoam environment. Two patients, P1 and P2 respectively, were considered, for which 3 simulations each took place for a total of 6 simulations: two simulations for the geometries without anomalies, two for geometries with left inferior hypertrophy and two for geometries with deviation of the right nasal septum. The results were then studied and compared to identify similarities and differences in terms of the quantities characterizing the flowfield such as velocity, temperature, density gradient. Obviously, to recognize common correlation patterns requires a substantial number of simulations and patients geometry: the objective of this thesis is so limited to verify the feasibility of the idea by studying the existence of such correlation patterns.File | Dimensione | Formato | |
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https://hdl.handle.net/10589/209653