Русская версия English version   
Том 16   Выпуск 2   Год 2021
Математическая модель течения воздуха с твердыми частицами в носовой полости человека

Трусов П.В.1,2, Зайцева Н.В.1, Цинкер М.Ю.1, Некрасова А.В.2

1Федеральное бюджетное учреждение науки «Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения», Пермь, Россия
2Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», Пермь, Россия

Аннотация. В рамках разработки математической модели дыхательной системы человека рассматривается подмодель для исследования нестационарного течения воздуха с твердыми частицами и осаждения частиц различного размера в носовой полости человека. Предполагается, что носовая полость разделяется костно-хрящевой перегородкой на две симметричные (относительно носовой перегородки) части; рассматривается усредненная геометрия правой части носовой полости человека. Вдыхаемый воздух рассматривается как многофазная смесь гомогенного однокомпонентного газа и твердых пылевых частиц. Используется подход Эйлера – Лагранжа к моделированию движения многофазной смеси: для описания движения несущей газовой фазы используется модель вязкой жидкости; несомая фаза (пылевые частицы) моделируется как отдельные включения различных размеров. Учитывается процесс нагревания вдыхаемого воздуха за счет его контакта со стенками. Характеристики нестационарного течения многофазной смеси воздуха с частицами  пыли были получены с использованием Ansys CFX для нескольких сценариев. Отмечено, что при исследовании течения воздуха в носовой полости необходимо учитывать наличие турбулентности, для чего предлагается использовать k-ω модель. Получены поля скоростей вдыхаемого воздуха в носовой полости; представлены распределения температуры в носовой полости в разные моменты времени; выполнены оценки нагревания воздуха при различных температурах вдыхаемого воздуха; получены оценки доли осевших частиц в носовой полости в зависимости от размера частиц для реального машиностроительного производства; приведены траектории движения взвешенных частиц. С помощью созданной модели мы показали, что более 99.7 % частиц диаметром более 10 мкм оседают в носовой полости человека, по мере уменьшения диаметра и массы частиц доля осевших частиц уменьшается. Взвешенные частицы размером менее 2.5 мкм почти не оседают в носовой полости, с вдыхаемым воздухом они способны попадать в нижние дыхательные пути и легкие человека и, обладая фиброгенным и токсическим действием, могут являться причиной возникновения заболеваний. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами отдельных исследований, выполненных другими учеными. Дальнейшее развитие модели предполагает исследование течения воздуха в легких человека и моделирование формирования заболеваний, обусловленных вредным воздействием факторов среды обитания (в том числе пылевых частиц), поступающих в организм человека ингаляционным способом.

Ключевые слова: математическое моделирование, дыхательная система человека, носовая полость, газодинамика, взвешенные частицы, PM10, PM2.5 оседание частиц, нагревание воздуха

 
Содержание Оригинальная статья
Мат. биол. и биоинф.
2021;16(2):349-366
doi: 10.17537/2021.16.349
опубликована на рус. яз.

Аннотация (рус.)
Аннотация (англ.)
Полный текст (рус., pdf)
Список литературы

 

  Copyright ИМПБ РАН © 2005-2022