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 микроразмера (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.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2023-0003).
Материал поступил в редакцию 22.09.2023, 16.10.2023, опубликован 23.10.2023
Тип публикации:
Статья
Образец цитирования:
П. В. Трусов, Н. В. Зайцева, М. Ю. Цинкер, А. И. Кучуков, “Численное исследование нестационарного течения запыленного воздуха и оседания пылевых частиц различных размеров в нижних дыхательных путях человека”, Матем. биология и биоинформ., 18:2 (2023), 347–366
\RBibitem{TruZaiCin23}
\by П.~В.~Трусов, Н.~В.~Зайцева, М.~Ю.~Цинкер, А.~И.~Кучуков
\paper Численное исследование нестационарного течения запыленного воздуха и оседания пылевых частиц различных размеров в нижних дыхательных путях человека
\jour Матем. биология и биоинформ.
\yr 2023
\vol 18
\issue 2
\pages 347--366
\mathnet{http://mi.mathnet.ru/mbb524}
\crossref{https://doi.org/10.17537/2023.18.347}
Образцы ссылок на эту страницу:
https://www.mathnet.ru/rus/mbb524
https://www.mathnet.ru/rus/mbb/v18/i2/p347
Эта публикация цитируется в следующих 3 статьяx:
Петр Валентинович Трусов, Нина Владимировна Зайцева, Михаил Юрьевич Цинкер, Владислав Владимирович Нурисламов, “Моделирование течения воздуха в упруго-деформируемой пористой среде, аппроксимирующей легкие человека: структура модели, ее основные уравнения и разрешающие соотношения”, Comp. Contin. Mech., 17:2 (2024), 219
Петр Валентинович Трусов, Нина Владимировна Зайцева, Михаил Юрьевич Цинкер, Владислав Владимирович Нурисламов, “Моделирование течения воздуха в упруго-деформируемой пористой среде, аппроксимирующей легкие человека: алгоритм реализации и анализ результатов применения модели”, Comp. Contin. Mech., 17:3 (2024), 329
Nina V. Zaitseva, Svetlana V. Kleyn, Kristina V. Chetverkina, Alena M. Andrishunas, Mikhail Yu. Tsinker, “On the safe levels of micro-sized particles PM1.0 in ambient air”, Hygiene and sanitation, 103:11 (2024), 1434
Цитирование в формате AMSBIB
Обратная связь: