Simulazione LES del flusso nelle cavità nasali

Aim of this work is to carry out the first reliable large eddy simulation (LES) of the air flow in the nasal cavities. The study is part of a wider project, OpenNOSE, in collaboration with the otolaryngology department of San Paolo hospital in Milano, and achieves an intermediate step towards its goals. A medium-term objective is to successfully setup a laboratory experiment for the same anatomy considered here, for a thorough cross-validation and optimal setup of the numerical simulations. On the long term, we intend to develop a tool that exploits high-reliability numerical simulations to back up the surgeons in their daily practice, offering them direct access to any interesting fluid dynamic quantity that might help planning surgeries. We have succeeded in computing several respiratory cycles, from whom phase-locked mean quantities and their variance have been extracted. It is evident that the flow is laminar during the inspiration phase (at least at the moderate flow rate considered), and that inter-cycle variance is limited to a small portion of the cycle, where unsteady recirculation occurs in the nasopharynx during the expiration phase. Moreover, as for the first time we managed to consider the full anatomy with nasal sinuses, the present data allow answering a basic one question about the physiological function of the sinuses, and definitely show a flow rate through them.

Lo scopo di questo lavoro è condurre la prima simulazione a grandi vortici affidabile del flusso d'aria nelle cavità nasali. Questo studio fa parte di un progetto più ampio, OpenNOSE, in collaborazione con il reparto di otorinolaringoiatria dell'A.O. San Paolo di Milano e rappresenta uno step intermedio verso la realizzazione degli obiettivi del progetto. Nel medio termine l'obiettivo è quello di allestire con successo una prova sperimentale della stessa anatomia qui considerata, da utilizzare per una dettagliata validazione e per un setup ottimale delle simulazioni numeriche. Sul lungo periodo invece, si mira ad ottenere uno strumento affidabile, completamente open-source e patient-specific che possa affiancare i chirurghi nella cura delle patologie nasali, offrendo loro un accesso immediato a tutte le grandezze fluidodinamiche utili nella pianificazione degli interventi chirurgici. Sono state condotte diverse simulazioni di più cicli respiratori, dalle quali sono state estratte media in fase e varianza delle grandezze di interesse. È evidente che il flusso sia laminare durante l'inspirazione, almeno alla condizione di media intensità respiratoria considerata, e che la turbolenza è limitata per brevi istanti del ciclo respiratorio, duranti i quali si creano zone di ricircolo nella rinofaringe nella fase di espirazione. Infine, per la prima volta si è considerata un'anatomia completa, comprensiva dei seni paranasali. Dai dati ottenuti è possibile rispondere alla questione riguardante la loro funzione fisiologica dimostrando definitivamente la presenza di un flusso d'aria che li attraversa.