Свойства переноса воздуха в респираторной системе человека с помощью численного моделирования

  • A. A. Issakhov Казахский национальный университет им. аль-Фараби, г. Алматы, Республика Казахстан
  • A. Abylkassymova Казахский национальный университет им. аль-Фараби, г. Алматы, Республика Казахстан
Ключевые слова: перенос воздуха в респираторной системе человека, альвеолярное состояние, теплообмен в носовой полости, уравнение Навье-Стокса, схема расщепления по физическим параметрам, метод конечных объемов

Аннотация

В данной работе рассматривается перенос воздуха в респираторной системе человека с помощью численного моделирования. Исследование течения воздуха в носовой полости человека представляет значительный интерес, поскольку дыхание осуществляется в основном с помощью носа. Носовое дыхание важно для поддержания внутренней среды легких, так как температура окружающего воздуха переходит в альвеолярные условия при достижении носоглотки. В данной работе проводилось двухмерное численное моделирование переноса воздуха в модельных поперечных сечениях носовой полости для нормального человеческого носа на основе системы уравнений Навье-Стокса, уравнения для температуры и уравнения для относительной влажности. Для численного решения данной системы уравнений применяется схема расщепления по физическим параметрам. Полученные данные численного моделирования переноса воздуха носовой полости человека сверялись с известными численными результатами, в виде профилей скорости и температуры. Результаты численного моделирования свидетельствуют о том, что при дыхании с помощью нормального человеческого носа есть достаточно времени для нагрева и водообмена, чтобы достичь внутриальвеолярного состояния. Носовая полость ускоряет теплообмен путем сужения проходов для воздуха и завихрений от носовых раковин стенок внутренней полости.

Литература

[1] Chorin, A.J. "Numerical solution of the Navier-Stokes equations."Math. Comp. 22(1968): 745-762.
[2] Cole, P. "Some aspects of temperature, moisture and heat relationships in the upper respiratory tract,"J. Laryngol. Otol. 67 (1953): 669-681.
[3] Chung, T.J., "Computational Fluid Dynamics,"Cambridge University Press, (2002), 1012 p.
[4] Farley, R. D., and Patel, K. R. "Comparison of air warming in human airway with thermodynamic model,"Med. Biol. Eng. Comput. 26 (1988): 628-632.
[5] Ferziger, J.H. and Peric M. "Computational Methods for Fluid Dynamics, third edition,"Springer, (2013), 426 p.
[6] Fletcher, C. A.J. and Fletcher, C. A. "Computational Techniques for Fluid Dynamics, Vol. 1: Fundamental and General Techniques,"Springer. (2013). 401 p.
[7] Girardin, M., E. Bilgen, and P. Arbour. "Experimental study of velocity fields in a human nasal fossa by laser anemometry,"Ann. Otol. Rhinol. Laryngol. 92(1983): 231-236.
[8] Hanna L. M., and Scherer P. W. "Measurement of local mass transfer coefficients in a cast model of the human upper respiratory tract,"J. Biomech. Eng. 108(1986): 12-18.
[9] Ingelstedt S. "Studies on conditioning of air in the respiratory tract."Acta Oto-Laryngol. Suppl. 131(1956): 1-80.
[10] Issakhov A. "Mathematical modeling of the discharged heat water effect on the aquatic environment from thermal power plant,"International Journal of Nonlinear Science and Numerical Simulation 16(5) (2015): 229-238. doi:10.1515/ijnsns-2015-0047.
[11] Issakhov A. "Mathematical modeling of the discharged heat water effect on the aquatic environment from thermal power plant under various operational capacities,"Applied Mathematical Modelling Volume 40, Issue 2 (2016): 1082-1096. http://dx.doi.org/10.1016/j.apm.2015.06.024.
[12] Issakhov A. "Large eddy simulation of turbulent mixing by using 3D decomposition method,"J. Phys.: Conf. Ser. 318(4) (2011): 1282-1288. doi:10.1088/1742-6596/318/4/042051.
[13] Maran A. G. D., and Lund V. J. "Clinical Rhinology,"New York: Thieme Medical. (1990).
[14] McFadden E. R. "Respiratory heat and water exchange: Physiological and clinical implications,"J. Appl. Physiol. 54(1983): 331-336.
[15] Naftali S., Schroter R. C., Shiner R. J. and Elad D. "Transport Phenomena in the Human Nasal Cavity: A Computational Model,"Annals of biomedical engineering (1998): 831-839.
[16] Peyret R. and Taylor D.Th. "Computational Methods for Fluid Flow,"Springer–Verlag, NewYork:Berlin, (1983). 358 p.
[17] Pletcher R. H., Tannehill J. C. and Anderson D. "Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer, Third Edition (Series in Computational and Physical Processes in Mechanics and Thermal Sciences),"CRC Press. (2011). 774 p.
[18] Roache P.J. "Computational Fluid Dynamics,"Hermosa Publications, Albuquerque, NM, (1972). 434 p.
[19] Webb P. "Air temperatures in respiratory tracts of resting subjects,"J. Appl. Physiol. 4(1951): 378-382.
Опубликован
2018-06-27