Течение воздуха в носовой полости человека. Результаты математического моделирования
Автор: Ганимедов В.Л., Мучная М.И., Садовский А.С.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 1 (67) т.19, 2015 года.
Бесплатный доступ
Сложное строение носовой полости человека практически исключает изучение течения воздуха в ней c помощью экспериментальных методов визуализации и диагностики потоков, поэтому в настоящее время для этой цели активно используется численное моделирование. Эти исследования являются актуальными ввиду развития ингаляционных методов введения лекарственных препаратов, с их помощью можно проводить виртуальные операции. В институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук разработана методика исследования течения воздуха в носовой полости человека на основе математического моделирования с помощью пакета ANSYS. Трехмерная геометрия носовой полости строится на базе полученных из клиники серий томографических снимков. При построении используются программы GRAPHER и GAMBIT. Течение в построенной геометрической модели носовой полости рассчитывается в газодинамическом разделе FLUENT пакета ANSYS на основе системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса для несжимаемого газа, используется модель k- ω турбулентности. С помощью метода установления находится квазистационарное решение для заданного перепада давления между входом в носовую полость и выходом из неё. По полученным от медиков сериям томографических снимков были построены модели носовой полости для тридцати взрослых людей. Отмечены чрезвычайное разнообразие форм и, как следствие, существенные различия в структуре потока. Результаты расчетов течения воздуха анализируются с целью поиска закономерностей и индивидуальных особенностей. Проведено сравнение интегральных характеристик, таких как зависимость удельного расхода воздуха от перепада давления, распределение минимального и среднего значения температуры по длине носовой полости в зависимости от температуры вдыхаемого воздуха. Показано, что для определения физиологической нормы недостаточно знать только расходные характеристики носовой полости, необходимо также учитывать терморегулирующую функцию.
Численное моделирование, носовая полость человека, структура течения, визуализация поля течения, респираторное усилие, распределение температуры
Короткий адрес: https://sciup.org/146216163
IDR: 146216163
Список литературы Течение воздуха в носовой полости человека. Результаты математического моделирования
- Фомин В.М., Ветлуцкий В.Н., Ганимедов В.Л., Мучная М.И., Шепеленко В.Н., Мельников М.Н., Савина А.А. Исследование течения воздуха в носовой полости человека//Прикладная механика и техническая физика. -2010. -Т. 51, № 2. -С. 107-115.
- Фомин В.М., Ганимедов В.Л., Мучная М.И., Мельников М.Н., Садовский А.С., Шепеленко В.Н. Численное моделирование течения воздуха в полости носа человека с имитацией применения клинического метода передней активной риноманометрии//Прикладная механика и техническая физика. -2012. -Т. 53, № 1. -С. 58-66.
- Garcia G.J., Bailie N.A., Martins D.A., Kimbell J.S. Atrophic rhinitis: A CFD study of air conditioning in the nasal cavity//Journal of Applied Physiology. -2007. -Vol. 103, № 3. -P. 1082-1092.
- Hörschler I., Schröder W., Meinke M. Numerical analysis of the impact of the nose geometry on the flow structure. Part II: Nasal valve and lower turbinate//Computational Fluid Dynamics Journal. -2008. -Vol. 16, № 3 (26). -P. 243-260.
- Intaek H., Scherer P.W., Mozell M.M. Velocity profiles measured for airflow throw a large-scale model of the human nasal cavity//Journal of Applied Physiology. -1993. -Vol. 75, № 5. -P. 2273-2287.
- Keyhani K., Scherer P.W., Mozell M.M. Numerical simulation of airflow in the human nasal cavity//J. Biomech. Engng. -1995. -Vol. 117. -P. 429-441.
- Lindemann J., Keck T., Wiesmiller K., Sander B., Brambs H.J., Rettinger G., Pless D. A numerical simulation of intranasal air temperature during inspiration//The Laringoscope. -2004. -Vol. 114, № 6. -P. 1037-1041.
- Rhee J.S., Cannon D.E., Frank D.O., Kimbell J.S. Role of virtual surgery in preoperative planning. assessing the individual components of functional nasal airway surgery//Arch. Facial. Plast. Surg. -2012. -№ 14 (5). -P. 354-359.
- Segal R.A., Kepler G.M., Kimbell J.S. Effect of differences in nasal anatomy on airflow distribution: a comparison of four individuals at rest//Annals of Biomedical Engineering. -2008. -Vol. 36, № 11. -P. 1870-1882.
- Shen Yu, Xiu-Zhen Sun, and Ying-Xi Liu. Numerical analysis of the relationship between nasal structure and its function//The Scientific World Journal. -2014. -Vol. 2014, Article ID 581975. -P. 1-6.
- Wen J., Inthavong K., Tian Z.F., Tu J.J., Xue C.L., Li C.G. Airflow pattern in both sides of a realistic human nasal cavity for laminar and turbulent conditions//Proceedings of 16th Australasian Fluid Mechanics Conference, 2-7 December 2007. -Gold Coast, 2009. -P. 68-74.
- Wilcox D.C. Formulation of the k-omega turbulence model revisited//AIAA Journal. -2008. -Vol. 46, № 11. -P. 2823-2838.
- Zhang Z., Kleinstreuer C. Low Reynolds number turbulent flows in locally constricted conduits: a comparison study//AIAA Journal. -2003. -Vol. 41, № 5. -P. 831-840.
