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. Работа посвящена развитию разрабатываемой авторами математической модели дыхательной системы, предназначенной для решения задач в области оценки и прогнозирования рисков здоровью человека, обусловленных негативным действием аэрогенных факторов среды обитания – исследованию течения запыленного воздуха и оседания пылевых частиц в воздухоносных путях человека (от носовой полости до пятой генерации бронхов) при дыхании различной интенсивности. Вдыхаемый воздух полагается многофазной смесью гомогенного газа и твердых пылевых частиц. Трехмерная геометрия воздухоносных путей построена на основе томографических снимков. Рассматривается нестационарный процесс течения воздуха во время спокойного, углубленного и интенсивного дыхания. Получены количественные оценки оседания в воздухоносных путях частиц различного размера (диаметром от 0.5 мкм до 20 мкм) и плотности (1000 кг/м3, 2000 кг/м3, 2700 кг/м3 и 4000 кг/м3) во время вдоха различной интенсивности; приведены поля скорости вдыхаемого воздуха и траектории движения частиц различных размеров. Крупные частицы (более 10 мкм), имеющие большую массу, почти полностью (более 90 %) оседают в воздухоносных путях (преимущественно в носовой полости, глотке, гортани). По мере уменьшения размера и массы (плотности) доля оседающих в воздухоносных путях частиц уменьшается и соответственно увеличивается доля частиц, достигающих более мелких воздухоносных путей и легких человека. По мере увеличения интенсивности дыхания доля осевших частиц (диаметром 2.5 мкм и более) увеличивается. Плотность частиц более выраженно влияет на различия в оседании частиц микроразмерного диапазона (от 2.5 до 10 мкм) – чем больше плотность, тем больше масса (частиц одинаковых размеров), тем большая доля частиц оседает в воздухоносных путях. Оседание мелких частиц (0.5 мкм, 1 мкм) слабо различается в зависимости от плотности. В процессе дыхания в рассматриваемом участке воздухоносных путей в зависимости от интенсивности дыхания оседает порядка 28–34 % частиц диаметром 1 мкм и менее. Полученные результаты качественно согласуются с результатами проведенного натурного эксперимента по исследованию закономерностей распределения пылевых частиц атмосферного воздуха в воздухоносных путях человека.

Ключевые слова: верхние и нижние воздухоносные пути человека, численное моделирование, нестационарный процесс, различная интенсивность дыхания, пылевые частицы, частицы микроразмера, доля осевших частиц, плотность частиц