| Popis: |
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 kω 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.The complex structure of the human nasal cavity makes it practically impossible to study the air flow by experimental imaging and flow diagnostics; so numerical modelling is widely used for this purpose now. These studies are relevant in view of the development of methods for inhaled drug delivery; moreover, they can be used to carry out virtual surgery. A technique for studying the air flow in the human nasal cavity through mathematical modelling by using the ANSYS package is developed at the Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. The three-dimensional geometry of the nasal cavity is constructed on the basis of clinical tomographic images. The GRAPHER and GAMBIT programs are used for geometry definition. In this geometric model of the nasal cavity, the flow is calculated in the gas-dynamic part of the ANSYS (FLUENT) package on the basis of Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the k -ω turbulence model. By means of a time-dependent method, a quasi-stationary solution is found for a prescribed pressure difference between the entrance and exit of the nasal cavity. Thirty models of the nasal cavities of real adult people are constructed. Extreme diversity of shapes and, as a consequence, significant differences in the flow patterns should be noted. The calculation results are analyzed to search for regularities and individual features. The integral characteristics, such as the dependence of the volume flow rate on the pressure difference and the distributions of the minimum and average values of temperature along the nasal cavity depending on the temperature of inhaled air, are compared. It is shown that it is not sufficient to know only the flow rate characteristics of the nasal cavity for determining the physiological norm; it is also necessary to consider the thermal-control function. |
