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Gekoppelte Simulation von Aerosolströmungen in asthmatischen Bronchien

Gekoppelte Simulation von Aerosolströmungen in asthmatischen Bronchien

Leitung:  P. Wriggers, B. Avci
Team:  J. Stasch, J.-P. Fürstenau
Jahr:  2014
Förderung:  Leibniz Universität Hannover, Wege in die Forschung

Neben Gasen nimmt man beim Einatmen von Luft in aller Regel aber auch eine gewisse Menge von Aerosolpartikeln auf, wie z. B. Schwebstaubteilchen, Tabakrauch, Pollen oder Allergene. Das Wissen über die Menge und Zusammensetzung der aufgenommenen Aerosole ist insofern von Belang, als die Schadstoffpartikel in Abhängigkeit ihrer Konzentration, Toxizität und ihrer größenbezogenen Konstellation die Funktion der Lunge bei permanenter Einatmung stark beeinflussen können. Denn während die inhalierten Grobpartikel von einem gesunden Atemsystem größtenteils bereits über die Schleimhäute des Nasen- und Rachenraums abgefangen werden, gelangen die für die Lunge problematischen Feinpartikel indessen über die Trachea und die Haupt- und Nebenbronchien bis in die tieferen Verzweigungen des Tracheobronchialbaumes hinein. Liegt dann noch eine ständige Belastung der Atemwege durch solch feine Schadstoffe vor, so führt dies zumeist zu Asthma oder zu chronischer Bronchitis.

Das Ziel dieses Projektvorhabens ist es, auf Basis eines gekoppelten 3D Mehrfeldmodells die partikelbeladene Luftströmung in gesunden sowie in asthmatisch verengten Bronchien anhand von numerischen Simulationen zu studieren. Dabei soll der Einfluss der Verengung der Atemwege auf den Partikeltransport u. a. im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen. Bei den hier durchzuführenden Berechnungen ist durch Hinzunahme von Kontaktmodellen mit Adhäsion auch der Aspekt der Partikelagglomeration zu berücksichtigen. Dieser bei feinen Aerosolen wichtige Punkt wird in den Arbeiten, die bisher in diesem Kontext publiziert wurden, aus Modellvereinfachungsgründen jedoch stets außer Acht gelassen – hierzu zählt prinzipiell auch der Kontakt zwischen Partikeln allgemein. Die anhand der Simulationsstudien gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu beitragen, das Grundverständnis über die gekoppelten komplexen globalen und lokalen Ablagerungs-, Transport- und Strömungszustände in den Luftwegen zu erweitern.