Ottimizzazione di un dispositivo per la respirazione assistita tramite CFD

The present thesis deals with a fluid dynamic study of a nasal mask, which is part of an innovative ventilation system, recently commercially available in U.S.A., designed for the therapy on patients affected by respiratory insufficiency. The work is carried out within a collaboration with the device’s developer and manufacturer, Breathe Technologies, Inc. During the device’s design phase a number of fluid dynamic assumptions and approximations were applied; positive clinical trials on patients, as well as commercial success in the current initial phase, attest their physical soundness. However, the present thesis work aims at a deeper analysis, with a view to identify strategies for future enhancement of the product. We have carried out a steady-state analysis of the flow field in a specific region of the device, which is considered significant from preliminary discussions with the designers. Even if from the geometric point of view the problem is simplified, it is nonetheless quite complex, because of the combined geometrical complexity and non-trivial flow physics. Fluid dynamic RANS simulations have been performed with several different geometries, with the k − ω − SST turbulent model, within the open-source software package OpenFOAM. Notwithstanding the preliminary character of the simulations, partly due to the limited computational resources available, the present work is able to suggest a simple yet potentially very effective strategy for a significant optimization of the device.

Il presente lavoro di tesi descrive lo studio fluidodinamico di una maschera nasale facente parte di un sistema terapeutico per la respirazione assistita, di nuova concezione, entrato in commercio negli USA solo da qualche mese. Il lavoro nasce da una collaborazione con l’azienda produttrice del dispositivo, la Breathe Technologies, Inc. Durante la fase di progettazione del dispositivo è stato applicato un certo numero di ipotesi e approssimazioni dal punto di vista fluidodinamico, che hanno permesso di realizzarlo ottenendo risultati soddisfacenti sia per quanto riguarda i primi trials clinici effettuati sui pazienti, sia nella fase successiva di commercializzazione appena iniziata. La tesi si propone di svolgere un’analisi fluidodinamica approfondita allo scopo di individuare possibili strategie per la futura ottimizzazione del dispositivo. L’analisi effettuata è stata di tipo stazionario, relativamente ad una particolare regione ritenuta significativa sulla base di discussioni preliminari con l’azienda. Benché si sia semplificato il problema, esso è rimasto comunque abbastanza complesso, a causa dell’effetto combinato di geometria complessa e fisica della corrente che si è rivelata non banale. Le simulazioni RANS sono state effettuate per più geometrie diverse, utilizzando il modello di turbolenza k−ω−SST all’interno del software open-source OpenFOAM. Nonostante il carattere preliminare delle simulazioni, in parte dovuto alle limitate risorse computazionali disponibili, il presente lavoro è in grado di suggerire una strategia semplice ma potenzialmente molto efficace per una significativa ottimizzazione del dispositivo.