Doctoral Thesis

Development of the Lattice Boltzmann method for fibre transport and deposition

Final Thesis 11.6 MB Summary of Thesis 7.95 MB

Author of thesis: Ing. František Prinz

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Miroslav Jícha, CSc.

Reviewers: doc. Ing. Radek Fučík, Ph.D., prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D.

Abstract:

Transport and deposition of aerosols in human respiratory tract is an active area of research. Aerosol inhalation is one method for delivering medication to the human body. On the other hand, inhaled air sometimes contains harmful particles like particulate matter. Besides spherical aerosols such as droplets or dust also fibrous particles are investigated. Due to their irregular shape, they can penetrate deeper into the respiratory system and may be more efficient for medical purposes. Nevertheless, the complex shape poses challenges for simulation because the drag force depends on the current orientation to the flow. Furthermore, in the area of bifurcations fibrous particles tend to change the orientation or start flipping. The Euler-Lagrange Euler-Rotation (ELER) method computes particle movement via Lagrangian tracking and particle rotation via Euler kinematical equations. These equations are computationally more expensive than the standard Lagrange approach of effective diameter but yield more accurate results. \\
  The primary objective of this thesis was to extend the ELER method into the Lattice Boltzmann Method (LBM), a mesoscopic approach that models fluid dynamics based on the statistical behaviour of fluid particles. This integrated framework was then applied to simulate fibrous particle transport within a realistic anatomical model of human airways, extending down to the seventh generation of branching.
The findings confirm that the deployed ELER method provides higher accuracy in predicting deposition fractions compared to the effective diameter approach, as validated against experimental data. Nevertheless, a comprehensive analysis of the rotational motion of fibers against high-speeed camera experimental measurements still revealed significant discrepancies. As a potential source of them, the observed fibers in the experiment indicate asymmetrical deformations, created during the fabrication procedure. To account for these real-world shape changes, a novel approach for particles with inhomogeneous mass distribution was derived and implemented. While these inhomogeoneities were shown to significantly disturb rotational motion compared to homogenous ones, their impact on particle trajectories was less substantial. Consequently, fully resolving the complex rotational behavior of fibrous particles in realistic airway flows remains an area for further investigation.

Keywords:

Lattice Boltzmann Method, fibers, Euler-Lagrange Euler-Rotation, deposition.

Date of defence

21.11.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Práce nabízí nový podrobný přístup k řešení pohybu vláknových částic v proudu vzduchu v dílčí části dýchacího traktu. Student zodpověděl položené dotazy a komentoval dílčí nesrovnalosti práce. Práce má přínos v oblasti lékařství, konkrétně distribuce léčiv v oblasti plic.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Mechanics (D-IME-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Jiří Pospíšil, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Bc. Jan Fišer, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Fučík, Ph.D. (člen)
prof. Dr. Mgr. Ivan Cimrák (člen)
dr inż. Robert Straka (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Miroslav Jícha, CSc.

Ing. František Prinz nastoupil doktorandské studium v akademickém roce 2019/2020. Současně v tomto školním roce nastoupil na studium 5. ročníku Matematického inženýrství, které ukončil s výborným hodnocením. Již na počátku roku 2019 projevil zájem spolupracovat na vývoji metody lattice Boltzmann, kterou pak začal rozvíjet v rámci diplomní práce na Matematickém inženýrství a současně v rámci doktorského studia. Od roku 2019 začala úzká spolupráce s týmem profesora M. Krauseho z Karlsruhe university (KIT), a též na vývoji jejich open source kódu OpenLB.

Od počátku svého studie, jak magisterského na Matematickém inženýrství, tak doktorského na Energetickém ústavu, organizoval s německými partnery pravidelné online meetingy, v kterých si vyjasňoval nejasnosti ohledně LB. Postupně se zúčastnil několika mezinárodních seminářů LB.

Rozvoj metody LB zaměřil na dvoufázové diskrétní soustavy „kapka-plyn“, či „pevné částice-plyn“. Po rozsáhlých úvodních studiích problematiky LB se zaměřil na zcela novou oblast, tj. na soustavu „vláknové částice-plyn“ s aplikací na transport a depozici těchto částic v dýchacím systému člověka. Toto téma je zcela nové a jeho řešení představuje významný posun v aplikaci lattice Boltzmann.

Od roku 2019 se zapojil do řešení grantového projektu GAČR prof. Jíchy „Influence of infants and children lungs development on flow field and aerosol deposition–computational modelling and experimental validation“ a stal se také součástí týmu projektu VUT KInG „Droplet dispersion in low turbulent airflow and droplet impact on the wire mesh“. V letech 20222 až 2024 byl spoluřešitel Polsko-českého projektu Lead Agency „Holistic approach to Rotating Packed Bed (RPB) absorption process with the use of 3D CFD, visual studies, and mass transfer experiments“. Od roku 2025 se zapojil do řešení mezinárodního Česko-Polsko-Německého projektu programu Weave a současně projektu Theta II, kde se zabývá řešením dvoufázového proudění s varem na rotujícím disku. V projektech je jeho úkolem rozvoj a aplikace metod počítačových simulací pro vícefázové soustavy s použitím jak klasického CFD, tak tam, kde to složitost modelu umožní, i metodou lattice Boltzmann.

Závěrem chci zdůraznit, že úkolem doktoranda nebyl vývoj zcela nového přístupu k LB metodě, ale zaměřit se na možnou praktickou aplikaci metody s dílčími vývojovými prvky ve spolupráci s německým partnerem.

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Radek Fučík, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 97,90 kB

Reviewer’s report
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D.

viz. posudek v PDF
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 232,84 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová