Aplicação da fluidodinâmica computacional (CFD) no estudo do escoamento de ar e deposição de partículas em vias aéreas pulmonares

O processo de industrialização e o rápido crescimento dos centros urbanos levaram a uma maior incidência de doenças respiratórias e, consequentemente, ao início dos estudos envolvendo deposição de partículas nas vias respiratórias humanas. Este trabalho utilizou a Fluidodinâmica Computacional (CFD) para avaliar o escoamento de ar e a deposição de partículas nos brônquios do sistema respiratório humano, considerando três ramificações. O modelo foi validado através da comparação com dados experimentais disponíveis na literatura. Foram consideradas quatro vazões de entrada, correspondendo às condições de sono, repouso, atividade moderada e atividade intensa de um indivíduo homem adulto, com diâmetro de partícula variando de 1 a 10 μm. Foi observado que o fluxo de ar foi mais intenso região interna do modelo, uma vez que foi utilizado um perfil parabólico na entrada, e a presença de escoamento secundário. A deposição da partícula aumentou com a intensidade da atividade do indivíduo devido a uma maior quantidade de movimento das partículas, resultando em uma maior deposição por impactação inercial. Além disso, as técnicas de CFD foram utilizadas para comparar o processo de deposição das partículas durante a inalação seguida de suspensão da respiração e expiração, separadamente. Foi observada uma maior deposição durante a suspensão da respiração, justificando as recomendações médicas para suspender a respiração durante alguns segundos depois da inalação de aerossóis farmacêuticos. Por fim, os mecanismos físicos de sedimentação gravitacional, difusão Browniana e impactação inercial foram avaliados e indicaram que a sedimentação gravitacional é mais atuante para partículas maiores, enquanto o mecanismo difusional tem maior importância para partículas com diâmetros menores, de forma que ambos têm maior influência em situações envolvendo baixa velocidade. Dessa forma, pode-se concluir que as ferramentas de CFD são viáveis e podem ser utilizadas para representar o fenômeno físico de escoamento de ar e de deposição de partículas na porção do sistema respiratório considerada neste trabalho.The industrialization process and the fast growth of cities lead to an increase of respiratory diseases and, therefore, lead to the beginning of studies involving particle deposition in human lung airways. This work used Computational Fluid Dynamics (CFD) to evaluate the air flow and particle deposition process in three bifurcations of human respiratory system bronchia, considering three ramifications. The model has been validated by the comparison with experimental data available in the literature. It was considered four inlet rates, which correspond to sleep, resting, moderate activity and intense activity breathing conditions of adult male, with particles diameters varying from 1 to 10 μm. It was observed that the air flow is more intense in the inner region of the model, since it was used a parabolic velocity profile at the inlet, and the presence of secondary motion. The particle deposition increased with the intensity of the activity due to higher momentum of the particles, resulting in greater deposition by inertial impaction. Furthermore, CFD techniques were used to compare the particle deposition process during inhalation and further breath holding and exhalation, separately. It was observed a higher number of deposited particles during breath holding when compared with exhalation, justifying the medical recommendations to hold the breath during few seconds after the inhalation of pharmaceutical aerosols. Lastly, the physical mechanisms of gravitational sedimentation, Brownian diffusion and inertial impaction were evaluated and indicated that gravitational sedimentation is more active for bigger particles, while Brownian diffusion has more importance for particles with smaller diameters, and both have more influence in situations involving low speed. Therefore, it can be concluded that CFD is a viable technique and it can be used to represent the physical phenomena of air flow and particle deposition in the portion of respiratory system considered in this work