Mathematical model of airflow and solid particles transport in the human nasal cavity

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 $k$–$\omega$ 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.