Численное исследование нестационарного течения запыленного воздуха и оседания пылевых частиц различных размеров в нижних дыхательных путях человека

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 $k$–$\omega$ 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/м$^3$, 2000 кг/м$^3$, 2700 кг/м$^3$) 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.