Master's Thesis

Simulation of Fluid-structure Interaction between Real-shaped Human Vocal Folds and Laryngeal Flow

Final Thesis 5.28 MB

Author of thesis: Bc. Václav Horčic

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Petr Hájek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Pavel Švancara, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis deals with solving a fluid-structure interaction (FSI) model of the vocal tract using the Finite Element Method (FEM) and the Finite Volume Method (FVM). The geometry of the vocal tract is based on a 3D scan of a plaster cast of the larynx of a 72-year-old female in a phonatory position, with an oscillation frequency of 304 Hz. The vocal folds are modeled as homogeneous using a linear elastic material model, with material properties custom-tuned for the model. The air flowing through the larynx is modeled as incompressible, with constant viscosity and density.
The theoretical part of the thesis briefly describes the anatomy of the vocal tract and summarizes the modeling approaches for FSI models published between the years 2020 and 2026. The practical part then details the model preparation process, from the 3D scan processing to the simulation itself. Within the results, both the oscillation parameters and the flow characteristics are evaluated.
The model was solved using  Ansys® WorkbenchTM Release 2024 R2 and 2025 R2

Keywords:

Human vocal folds, fluid-structure interaction, physiological model, FEM, self-sustained oscillation

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svou závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy k závěrečné práci, které byly studentem zodpovězeny. Po zodpovězení doplňujících dotazů bylo přistoupeno k odborné rozpravě. Jak byla zvolena kritická hodnota machova čísla 0,3? Lze problém do nějaké míry řešit analyticky? Lze pro jednotlivého pacienta řešit 3D model? Co považujete za “nízkou hodnotu Reynoldsova čísla” a v čem spočívá korekce? Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: B - velmi dobré.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Biomechanics (BIO)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Florian, CSc. (člen)
prof. RNDr. Matej Daniel, Ph.D. (člen)
Ing. László Iván, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Petr Hájek, Ph.D.

V této diplomové práci byl vytvořen výpočtový model samobuzených oscilací lidských hlasivek, jejichž tvar byl získán ze sádrového odlitku ženského hrtanu. Student při jeho tvorbě postupoval téměř výhradně samostatně a po několika konzultacích v rámci dvou let předložil sepsanou diplomovou práci. Přestože je práce velmi strohá, věcná, graficky „šitá horkou jehlou“ a některé informace v ní nejsou uspokojivě vysvětleny, přístup k ladění modelu je velice tvůrčí a originální. Téma fluidně-strukturní interakce je náročné vědomostně i výpočtově, proto je obdivuhodné, že k samobuzeným oscilacím skutečně došlo. Na druhou stranu, oscilace nevypadaly příliš fyziologicky – na vině mohla být absence dorsální a ventrální části odlitku hlasivek nebo nedostatek času, při kterém by mohl být výpočtový model odladěn například přiblížením hlasivek k sobě. Patient-specific přístup k modelování lidského hlasu je spíše ojedinělý a po naladění by se tento model mohl stát zajímavým příspěvkem do vědecké diskuze. 
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level D
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Pavel Švancara, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá problematikou numerického modelování lidské fonace pomocí obousměrné fluidně-strukturní interakce (FSI). Autor se zaměřuje na vytvoření modelu hlasivek a hrtanu založeného na reálné geometrii získané skenováním sádrového odlitku lidského hrtanu. Teoretická část práce obsahuje rešerši současných FSI modelů lidské fonace publikovaných v posledních letech. Autor systematicky porovnává jednotlivé přístupy z hlediska geometrie, materiálových modelů, tlumení, turbulence i numerických metod. V praktická části práce autor podrobně popisuje postup rekonstrukce geometrie, tvorbu sítě konečných prvků, citlivostní analýzu i samotné nastavení FSI simulace a její výsledky. Pozitivně hodnotím provedenou analýzu vlivu velikosti prvků sítě na přesnost a výpočetní náročnost modelu. Autor zároveň kriticky diskutuje omezení modelu, zejména vysoké hodnoty CFL čísla, zjednodušený materiálový model hlasivek nebo předpoklad nestlačitelného proudění. Autor musel zvládnout práci s metodou konečných prvků, metodou konečných objemů i problematiku jejich vzájemného propojení prostřednictvím FSI analýzy. Oceňuji zejména snahu o vytvoření modelu založeného na reálné anatomické geometrii, což představuje významný krok směrem k patient-specific biomechanickým modelům. Po formální stránce je práce na dobré úrovni. Text je logicky členěný a jazyková úroveň práce je rovněž velmi dobrá. Určitým nedostatkem je prázdné místo na konci mnoha stránek. Práce splnila všechny cíle zadání a doporučuju ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Jaký je důvod proč byl pro FSI analýzu použit jednovrstvý model hlasivek, když je v práci pro modální analýzu použit čtyřvrstvý model a modul pružnosti jednovrstvého modelu je laděn na základě výsledků z čtyřvrstvého modelu?
  2. V Grafech 9 a 10 se křivky pro celkovou výchylku levé a pravé hlasivky v některých časových okamžicích protínají. Znamená to, že dochází ke kontaktu hlasivek? Jsou v modelu obsaženy kontaktní prvky a ve fluidní části ošetřeno uzavírání mezihlasivkové mezery?
  3. Délka supraglotické oblasti byla zvolena na základě minimální délky pro rozvinutí laminárního proudění za překážkou 80 mm. Proč nebyla zvolena obvyklá délka lidského vokálního traktu cca 175 mm?
  4. V závěru uvádíte, že získané výsledky nemají vlastnosti typické pro lidskou fonaci. Jak výpočtový model upravit, aby se více přiblížil lidské fonaci?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová