Русская версия English version   
Том 18   Выпуск 2   Год 2023
Численное исследование нестационарного течения запыленного воздуха и оседания пылевых частиц различных размеров в нижних дыхательных путях человека

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

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 создания математической модели дыхательной системы человека выполнено численное исследование нестационарного течения запыленного воздуха, а также оседания пылевых частиц в нижних дыхательных путях реальной анатомической формы, полученной на основе снимков компьютерной томографии. Вдыхаемый воздух полагается многофазной смесью гомогенного газа и твердых пылевых частиц. Движение основной несущей газовой фазы описывается с использованием эйлерового подхода (модель вязкой жидкости). Твердые пылевые частицы являются дисперсной несомой фазой, описание которой выполняется с использованием лагранжевого подхода. Для учета турбулентности потока воздуха используется k-ω модель. Рассмотрен нестационарный процесс спокойного вдоха. Представлены расчетные линии тока скорости частиц вдыхаемого воздуха в нижних дыхательных путях в различные моменты времени. Получены количественные оценки доли осевших частиц (ДОЧ) различного дисперсного состава (от 10 нм до 100 мкм) и плотности (1000 кг/м3, 2000 кг/м3, 2700 кг/м3) в нижних воздухоносных путях; приведены траектории движения взвешенных частиц. Эффективность оседания твердых частиц в воздухоносных путях различается в зависимости от их размера и плотности. По мере уменьшения размера и массы частиц ДОЧ уменьшается. Плотность частиц в основном оказывает влияние на различия в оседании частиц микро размера (2.5–20 мкм): с увеличением плотности и массы частиц, увеличивается доля частиц, оседающих в воздухоносных путях; ДОЧ диаметром менее 1 мкм составляет около 20 % от количества частиц, достигающих входа в трахею. Согласно результатам численного моделирования большая часть пылевых частиц в процессе дыхания попадает в правый главный бронх, преимущественно в средний и нижний долевые бронхи. Пылевые частицы способны приводить к заболеванию легких, в том числе – к пневмокониозам.

Ключевые слова: воздухоносные пути человека, численное моделирование, нестационарный процесс, пылевые частицы, частицы микро- и наноразмера, доля осевших частиц, плотность частиц.

Содержание Оригинальная статья
Мат. биол. и биоинф.
2023;18(2):347-366
doi: 10.17537/2023.18.347
опубликована на рус. яз.

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

 

  Copyright ИМПБ РАН © 2005-