Análisis computacional de la mecánica pulmonar y la fluidodinámica del sistema respiratorio

Abstract

Este informe presenta el desarrollo del trabajo de título realizado, el cuál consiste en el desarrollo y posterior validación de un modelo del sistema respiratorio para aplicaciones de análisis computacional. El modelo se divide en 2 dominios; el dominio del fluido que representa la estructura de las primeras 7 generaciones del árbol bronquial; y el dominio del modelo del sólido, que representa el tejido pulmonar.

El objetivo principal de desarrollar estos modelos es analizar la distribución de flujo a través de la red bronquial, obteniendo la distribución de velocidades y presiones y estudiar la respuesta del tejido pulmonar ante la acción de presiones externas, ambos estudios se desarrollaron en condiciones de respiración tranquila; es decir, para la aplicación de -490 Pa hasta -735 Pa sobre la superficie del tejido pulmonar, que inducen una entrada de aire de 0,5 litros en 2 segundos.

Para generar las estructuras se desarrollaron bocetos en 3 dimensiones con medidas anatómicas estándares, que dieron origen a los modelos creados. Se ajustaron las condiciones de contorno y modelos matemáticos para la condición de respiración tranquila en un pulmón sano y se desarrollaron las simulaciones de flujo para la red del árbol bronquial en el entorno de Ansys Fluent y las simulaciones de las deformaciones del tejido pulmonar en el entorno de Ansys Mechanical.

Se obtuvieron resultados correspondientes al comportamiento real de los pulmones. La distribución de velocidad y presión mostró un flujo estable predominantemente laminar, con excepción en las primeras bifurcaciones, donde el cambio de dirección del flujo generó pequeñas vorticidades. Por otro lado el tejido sólido mostró una relación entre la presión aplicada y la deformación congruente.

Se generó un estudio que da relevancia a las simplificaciones numéricas, lo que hace viable el estudio de sistemas complejos como lo es el sistema respiratorio humano.