Fluid dynamics in the human upper airways

Abstract

Noch nie war es so klar wie in dieser Zeit, dass die Strömungsdynamik, insbesondere die Tröpfchendynamik, unser tägliches Leben beeinflusst. In der Luft befindliche Tröpfchen und Aerosole, die der Mensch beim Niesen, Husten oder Atmen produziert, können Atemwegsviren (wie SARS-CoV-2) übertragen und die Infektionsrate vor allem in geschlossenen Umgebungen/Räumen erheblich erhöhen. Tröpfchen werden auch als Therapiemittel zur Unterdrückung von Infektionen und Erkrankungen der oberen Atemwege eingesetzt, indem natürliche Thermalwässer mit unterschiedlichen Eigenschaften und Zusammensetzungen in die Nasenhöhle eingeatmet werden. In all diesen Fällen lauten die Schlüsselfragen: Wie weit gelangen die Tropfen in die Luftwege des Atmungssystems? Was bewirken sie, wenn sie sich absetzen? Und wann lagern sie sich ab? Die Antworten auf diese Fragen hängen natürlich von der Größe, der Form, der Dichte und der chemischen Zusammensetzung der Tropfen ab. In dieser Arbeit versuchen wir diese Fragen zu beantworten, indem wir strömungsmechanische Simulationen für die menschliche Nase mit Hilfe zweier realistischer Geometrien durchführen, die aus Magnetresonanzbildern stammen. Die Simulationen werden für verschiedene Werte der Strömungsgeschwindigkeit des Luftstromes und des Tropfendurchmessers durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die Gesamteffizienz der menschlichen Nase beim Auffangen von Tropfen und Partikeln.

Never has it been clear as in this moment that fluid dynamics in particular drops dynamics influences our everyday life. Airborne droplets and aerosols produced by humans during a sneeze, cough or breath can carry respiratory viruses (like SARS-CoV-2) and can significantly increase infection rates in particular in closed environments/spaces. Droplets are also used as therapy agents to suppress infections and disorders of the upper respiratory tract, via inhalation in the nasal cavity of natural thermal waters with different characteristics and composition. In all these cases, the key questions are: How far do drops get in the air passages of the respiratory system? What do they do when they are deposited? And when do they deposit? Naturally, the answers to these questions do depend on drops size, shape, density and chemical composition/nature. In this thesis we try to answer these questions by performing fluid dynamics simulations of the human nose for two realistic geometries, taken from magnetic resonance images. Simulations are run for different values of the fluid velocity and of the drop diameter. Results demonstrate the overall efficiency of the human nose in capturing drops and particles.