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
Трусов П.В., Зайцева Н.В., Цинкер М.Ю., Некрасова А.В. Математическая модель течения воздуха с твердыми частицами в носовой полости человека. Математическая биология и биоинформатика. 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 Перевод на англ. яз.

Trusov P.V., Zaitseva N.V., Tsinker M.Yu., Nekrasova A.V. Mathematical Model of Airflow and Solid Particles Transport in the Human Nasal Cavity. Маthematical biology and bioinformatics. 2023, 18(Suppl):t1-t16. doi: 10.17537/2023.18.t1

Полный текст (англ., pdf)

 

  Copyright ИМПБ РАН © 2005-2025