آموزش شبیه سازی هوای تنفسی دهان بیمار در اتاق بستری دارای سیستم تهویه هوای تازه

آموزش شبیه سازی هوای تنفسی دهان بیمار در اتاق بستری دارای سیستم تهویه هوای تازه


750,000 تومان

( آخرین بروزرسانی : 14 شهریور, 1401 )

بررسی اجمالی محصول

با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی هوای تنفسی دهان بیمار در اتاق بستری دارای سیستم تهویه هوای تازه با نرم افزار ansys fluent به همراه فایل شبکه بندی ان (msh.) را دریافت خواهید کرد.

نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی هوای تنفسی دهان بیمار در اتاق بستری دارای سیستم تهویه هوای تازه

تعریف مسأله

مسأله­ حاضر به شبیه ­سازی جریان هوای تنفسی از دهان یک بیمار بستری درون یک اتاق بیمارستان پرداخته است. درواقع در مسأله­ حاضر، یک اتاق مخصوص بستری بیمار طراحی شده است که مجهز به سیستم­ های تهویه و هواسازی می­ باشد. از طرفی، بیمار با هر مرتبه عمل دم و بازدم، اکسیژن دریافت کرده و کربن ­دی­ اکسید را بیرون می­ دهد. هدف اصلی این فرایند شبیه­ سازی، ورود جریان هوای تازه و حامل اکسیژن به صورت مداوم به فضای درونی اتاق می­ باشد تا هوای آلوده­ بازدم شده­ از دهان بیمار و کربن­ دی­ اکسید تولیدی را از فضای داخل اتاق به محیط بیرون هدایت نماید. سیستم­ های تهویه و هواسازها در سقف و کف اتاق در نظر گرفته شده­ اند که وظیفه­ گردش جریان هوای تازه در فضای داخلی اتاق و هدایت آن از منافذ جانبی به محیط بیرون را برعهده دارند.

جریان هوای تازه­ ورودی به فضای درونی اتاق از ترکیب اکسیژن و نیتروژن با نسبت 3.76 تشکیل شده است. همچنین جریان هوای بازدم از دهان بیمار شامل کربن ­دی­ اکسید می­ باشد. بنابراین در شبیه­ سازی حاضر، از مدل گونه ­های گازی انتقالی (species transport) استفاده شده است. بدین ترتیب که جریان هوای دارای اکسیژن با کسر جرمی 0.23 و نیتروژن با کسر جرمی 0.77 و بدون هیچ درصدی از کربن ­دی­ اکسید از هواسازهای اتاق به فضای درونی اتاق وارد می­ شود. این جریان هوای تازه­ ورودی دارای سرعت 1 متربرثانیه و دمای 293.15 کلوین می ­باشد.

همچنین از آنجائی که جریان هوای متشکل از اکسیژن، نیتروژن و کربن ­دی­ اکسید در قالب هوای بازدم از دهان بیمار به عنوان یک منبع خارج می­ شود، از مدل فاز گسسته (discrete phase) استفاده شده است؛ زیرا در این مدل، ذرات تشکیل دهنده­ جریان گونه­ های گازی بازدمی مورد تعقیب قرار می ­گیرد که به این نوع دیدگاه در بررسی رفتار سیالاتی ذرات، دیدگاه لاگرانژی می ­گویند. درواقع تفاوت دیدگاه لاگرانژی با دیدگاه اویلری در این امر است که رفتار سیال در دیدگاه لاگرانژی بر اساس تعقیب ذره به ذره­ جریان سیال مورد بررسی قرار می­ گیرد؛ در حالی که رفتار سیال در دیدگاه اویلری بر اساس فرض یک المان حجمی محدود در مسیر جریان سیال مورد بررسی قرار می ­گیرد. در این مدل، فرض شده است که هوای بازدم شده از دهان بیمار دارای اکسیژن با کسر جرمی 0.16 و کربن­ دی­ اکسید با کسر جرمی 0.04 می­ باشد و دمای این هوا برابر با 310.15 کلوین می­ باشد.

همچنین سرعت جریان ورودی از ناحیه­ دهان به صورت تابع udf تعریف شده است. در حالت واقعیت، در زمان تنفس، دهان دائماً عمل دم و بینی عمل بازدم را انجام می­ دهد؛ اما در مدل حاضر، فقط دهان به عنوان یک منبع ثابت برای هر دو عمل دم و بازدم فرض شده است. بنابراین، باید هر دو عمل دم و بازدم برای ناحیه­ مربوط به دهان تعریف گردد. پس برای تعریف سرعت جریان هوای ورودی از دهان به سمت فضای داخلی اتاق، از یک تابع udf استفاده شده است. اندازه­ بزرگی سرعت جریان هوا برابر 0.25 متربرثانیه می­ باشد؛ به ­طوری که در هر بازه­ 2.5 ثانیه، متناسب با دم یا بازدم بودن عمل، مقدارش منفی یا مثبت می­ شود. پس سرعت ورودی در ناحیه­ دهان، در زمان بازدم دارای مقدار مثبت است چون هوا را پس می­ دهد و در زمان دم دارای مقدار منفی است چون هوا را دریافت می ­کند.

با توجه به وابستگی عمل تنفس به گذر زمان، مسأله­ حاضر از نظر زمانی به صورت ناپایا شبیه­ سازی شده و دارای گام زمانی برابر 0.01 ثانیه می­ باشد.

 

 

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه ­بندی

مدل حاضر به صورت سه ­بعدی و با استفاده از نرم ­افزار design modeler ترسیم شده است. این مدل از ساختمان یک اتاق به شکل­ مکعب به ابعاد 2.9 m ⨯ 2.23 m ⨯ 3.7 m تشکیل شده است؛ به طوری که یک تخت مخصوص بستری و یک بیمار روی آن طراحی شده است. همچنین تعداد شش منفذ دایروی به عنوان جریان ورودی هوای تازه و پنج منفذ مستطیلی شکل به عنوان مقطع خروجی جریان در دیواره­ های جانبی اتاق در نظر گرفته شده­ اند. با توجه به این که هدف اصلی مسأله، تمرکز بر روی جریان هوای بازدم از دهان بیمار می ­باشد، سطح دهان بیمار به عنوان مرز نام­گذاری شده (name-selection) در نظر گرفته شده است.

 

 

 

شبکه­ بندی مدل با استفاده از نرم  ­افزار ansys meshing انجام گرفته است. شبکه­بندی به صورت بدون سازمان انجام شده و تعداد سلول­ های ایجاد شده برابر 4354238 می ­باشد. شبکه ­بندی در نواحی مجاور مرزهای داخلی ریزتر بوده و از دقت بالاتری برخوردار است.

 

 

گام 2) مراحل شبیه ­سازی

برای شبیه­ سازی مدل حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است که عبارتند از:

  • شبیه ­سازی مبتنی بر فشار (pressure-based) صورت گرفته است.
  • شبیه ­سازی در هر دو حالت سیالاتی و انتقال حرارتی انجام گرفته است.
  • مدل حاضر از نظر زمانی ناپایا (unsteady) می­باشد؛ زیرا هدف مسأله، بررسی رفتار ذرات گونه­ های گازی با استفاده از دیدگاه لاگرانژی در گذر زمان است.
  • اثر گرانش زمین (gravity) معادل با 9.81- متربرمجذورثانیه و در راستای y بر روی جریان هوای داخل اتاق در نظر گرفته شده است.

 

خلاصه ­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول زیر آمده است :

 

 

تعریف مدل discrete phase

زمانی از فاز گسسته استفاده می ­گردد که هدف، بررسی رفتار ذرات از دیدگاه لاگرانژی و به صورت گسسته باشد. در مدل حاضر، جریان هوای بازدم شامل اکسیژن، نیتروژن و کربن ­دی ­اکسید از ناحیه­ دهان بیمار به صورت ذره­ به­ ذره به فضای درونی اتاق عمل پخش می­ شود. با انتخاب حالت unsteady particle tracking، رفتار ذرات گسسته­ هوای بازدمی تحت تأثیر گذر زمان قرار می­ گیرد. رفتار گسسته­ ذرات جریان بازدمی تحت تأثیر نیروی ناشی از گرادیان فشار (pressure gradient force) در حین زمان بازدم می ­باشد.

همچنین فرایند تزریق (injection) برای فاز گسسته تعریف می ­گردد. جنس ذرات تزریق شونده در مدل حاضر، همان اکسیژن، نیتروژن و اکسیژن می باشند و از ناحیه­ دهان بیمار (mouth) به فضای درونی اتاق بستری تزریق می ­شود. نوع فرایند تزریق به صورت صفحه ­ای است و نوع ذرات گونه­ های گازی به صورت راکد (inert) می­ب اشد. حالت inert یک المانی از فاز گسسته (ذره، قطره، یا حباب) که از موازنه­ نیروها تبعیت می­ کند. خواص ذره­ ای برای هر ذره­ از گونه­ های موجود در جریان هوا در مدل حاضر، شامل قطری به اندازه­ی 0.000001 متر، سرعتی به اندازه­ی 0.25 متربرثانیه، دبی جرمی برابر با 1*10-20 کیلوگرم بر ثانیه، و دمایی برابر با 310.15 کلوین می­ باشد. ضمناً مدت زمان لازم برای این عمل تزریق برابر با 2.5 ثانیه فرض شده است که معادل با زمان لازم برای یک عمل بازدم می ­باشد.

همچنین برای تعریف شرایط مرزی مربوط به مدل فاز گسسته، از سه نوع رفتار ذرات گسسته نسبت به نواحی مربوط به مرزها استفاده می ­شود؛ بدین صورت که از حالت فرار (escape) برای وقتی استفاده می­ شود که فاز گسسته صرفاً از مرز مورد نظر عبور می ­کند، از حالت تله (trap) برای وقتی استفاده می ­شود که فاز گسسته در مجاورت مرز مورد نظر گیر می ­افتد، و از حالت بازخورد (reflect) برای وقتی استفاده می ­شود که فاز گسسته پس از رسیدن و برخورد با مرز مورد نظر از مرز منعکس می ­شود. در مدل حاضر، در بخش ورودی مربوط به هواسازها و بخش ورودی مربوط به ناحیه­ دهان از حالت escape و در دیواره­ های درونی اتاق از reflect استفاده شده است.

 

 

گام سوم) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دو بعدی و سه بعدی مربوط به فشار، دما، سرعت، چگالی، کسر جرمی اکسیژن، کسر جرمی کربن ­دی­ اکسید و کسر جرمی نیتروژن به دست آمده ­اند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

دیدگاه

دیدگاهی ثبت نشده.

اولین نفری باشید که نظر می دهید برای “آموزش شبیه سازی هوای تنفسی دهان بیمار در اتاق بستری دارای سیستم تهویه هوای تازه”