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

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

Строение бронхиального дерева

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 и начальные условия в соответствии с реальными бронхами: [math] V_y = 3.2*\sin(Time)|_{Time\le\pi}+2.8\sin((Time+0.7268)/1.23)|_{Time\ge\pi} (м/с) [/math]