Моделирование течения воздуха в крупных воздухоносных путях человека методом конечных элементов
БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА
Автор работы: Д. В. Богданов
Руководитель: аспирант кафедры ТМ О. В. Бразгина
Содержание
Введение
В настоящее время известны процессы протекающие в органах, однако, недостаточно сведений для полного понимания возникновения и протекания этих процессов. Компьютерное моделирование является одним из наиболее перспективных методов исследования. Компьютерное моделирование дает возможность варьирования параметров для лучшего понимания процессов, например течения легких в бронхах.
Цель работы
Моделирование крупных воздухоносных путей человека методом конечных элементов
Задачи дипломной работы:
- изучить строение крупных воздухоносных путей человека – бронхов;
- выбрать подходящий тип модели турбулентности;
- получить поле скоростей, поле давлений и поле температур
Строение крупных воздухоносных путей человека
Крупные воздухоносные пути человека состоят из:трахеи и бронхов. Длина трахеи составляет в среднем 11 —11,6 см, поперечный диаметр 1,2 – 1,8 см. Угол разветвления трахеи — 55° (40—65°). Длина правого главного бронха — 2,3 см (1,5 — 3,5 см). Длина левого главного бронха — 4,3 см (3—6 см). Крупные бронхи имеют диаметр 10-15 мм. Средние диаметром от 2 до 5 мм. Малые бронхи имеют диаметр 1-2 мм, бронхиолы – 0,5 мм.
Механика дыхания
Один цикл чередования вдоха и выдоха составляет дыхательный акт. В среднем за минуту человек совершает 12-15 дыхательных актов. Обычно вдох несколько короче выдоха, у человека их соотношение примерно 1:1,2-1,5. Средняя скорость воздуха при вдохе – 3,2 м/с; при выдохе – 2,8 м/с. Вдох и выдох обеспечиваются дыхательными движениями грудной клетки и диафрагмы. В процессе вдоха, давление в альвеолах падает на 98 Па, и туда движется воздух. При выдохе все наоборот, в альвеолах создается избыточное давление и воздух по бронхам и трахеи движется обратно во внешнюю среду
Постановка задачи
Рассматривается процесс вдоха-выдоха. Будем ставить граничные условия в соответствии с реальными бронхами:
И начальные условия:
предполагаем, что в начальное время воздуха в легких нет, т.е. нет течения: м/с. Так же будем считать, что давление в легких равно нормальному атмосферному давлению: Па. Температура равна температуре человеческого тела: C.
Полученные результаты
Поле скоростей
По анализу изменения поля скоростей во времени видно, что с уменьшением диаметра бронхов скорость возрастает. Наибольшая скорость возникает в мелких бронхах и соответственно в альвеолах.
Поле давлений
Анализируя полученные результаты изменения давления в точках можем прийти к выводу – полученное поле давлений является верным. Данный вывод делаю из того, что при вдохе давление в альвеолах падает на 98 Па, и является самым низким (синяя линия). Далее идет точка P2, в которой давление больше. Воздух будет течь от точки с более высоким давлением в точку с более низким. Давление в точке P1 (черная линия) самое высокое, соответственно воздух будет течь от P1 в точку P2 далее к «альвеолам» (точка Bound). Аналогичное, только обратное будет происходить в обратном порядке: от «альвеол» воздух будет течь в точку P2, далее в точку P1, что соответствует реальному выдоху.
Поле температур
Анализируя полученные результаты распределения температуры: при вдыхании с увеличением скорости потока уменьшается температура в рассматриваемой точке, при уменьшении скорости потока поток прогревается сильнее. При выдохе – весь воздух прогрет, и поток имеет одинаковую температуру.
Вывод
Полученными результатами стали:
- поле скоростей;
- поле давлений;
- поле температур;
Полученные результаты могут быть использованы:
- для исследования оседания частиц в легких (мелкодисперсная пыль аэрозоли);
- моделирования полностью легких, включая альвеолы, как пороупругий материал;
- при создании искусственных легких;