Введение к работе
Актуальность работы
Исследование конвективных процессов, связанных с движением жидкостей в каналах нерегулярной формы, представляет собой весьма трудоемкую задачу, требующую разработки специфических методов измерения исследуемых характеристик потока, а также описания геометрических параметров исследуемой области. Отличительной особенностью каналов нерегулярной формы является наличие нерегулярностей рельефа внутренней поверхности канала, изменяющегося сечения при наличии многочисленных искривлений. Присутствие областей внезапного сужения, расширения каналов приводит к существенной турбулизации потока, сопровождающейся образованием турбулентных вихрей, существенно затрудняющих осуществление измерений параметров, качественная оценка которых необходима для описания конвективных процессов, связанных с переносом массы и энергии.
Необходимость исследования конвективных процессов в каналах нерегулярной формы возникает при решении широкого круга задач, в т.ч. моделировании течения воды в руслах рек, расчете параметров подземных жидкостей и газов в процессе геологических изысканий, определении гидро- и аэродинамических характеристик в живых системах. При этом осуществление измерений искомых величин применительно к биологическим объектам часто осложняется невозможностью установки регистрирующих устройств (датчиков) в требуемую точку канала, что является одной из основных причин недостаточной изученности таких систем, отмечаемую в настоящее время.
Последние десятилетия отмечены интенсивным ростом вычислительных мощностей, доступных исследователям и позволяющих применять широкий спектр математических моделей, описывающих турбулентное течение жидкости в каналах произвольной геометрии. Результатом данных изменений стало активное внедрение методов компьютерного моделирования гидро- и аэродинамических процессов применительно к различным задачам науки и техники.
Актуальным является использование данных методов применительно к живым системам и, в частности, дыхательной системе человека. Так, экспериментальное исследование конвективных процессов, связанных с движением потока воздуха в носовых каналах, существенно затрудняется не только вследствие сложной нерегулярной геометрии верхних дыхательных путей, но и по причине фактической невозможности установки и фиксации измерительных устройств внутри носовой полости. Вместе с тем, широкая распространенность заболеваний верхних дыхательных путей, вызванных патологическими изменениями различных геометрических параметров полости носа (искривление носовой перегородки, новообразования, отеки), а также недостаток диагностических элементов, доступных современному медицинскому специалисту и иллюстрирующих геометрические особенности НОСОВЫХ
каналов без учета динамических характеристик воздушной струи, обуславливает необходимость создания детальной физической модели движения воздуха внутри носовой полости человека при дыхании. Средство диагностики, разработанное на базе данной физической модели, позволит получать информацию как о строении внутренних носовых каналов, так и об особенностях течения воздуха в процессе дыхания, в т.ч. проходимости носовых ходов, вентилируемости околоносовых пазух.
Другим важным преимуществом использования методов компьютерного моделирования конвективных процессов, связанных с движением жидкостей в каналах нерегулярной формы, является возможность изменения геометрических параметров расчетной области. Применительно к носовой полости человека это означает реализацию алгоритма «виртуальной операции», т.е. редактирования формы дыхательных путей с последующим моделированием движения воздуха в рамках измененной геометрической модели.
Актуальность данной работы обусловлена потребностью разработки подробной физической модели конвективных процессов, протекающих в носовой полости человека при дыхании и последующего создания средства диагностики заболеваний верхних дыхательных путей, иллюстрирующего как особенности строения носовых каналов, так и динамические параметры воздушной струи при дыхании.
Цель работы состоит в создании подробной физической модели конвективных процессов, связанных с движением потока воздуха в носовой полости человека при дыхании.
Задачи исследования
В рамках настоящего исследования были решены следующие задачи:
-
Построена трехмерная компьютерная геометрическая модель внутренних носовых каналов человека;
-
Осуществлено моделирование движения воздуха в носовой полости человека при вдохе и выдохе. Построены нестационарные поля скоростей, температур и давлений в рамках разработанной геометрической модели, а также осуществлен расчет коэффициента теплоотдачи от поверхности внутренних носовых каналов;
-
Создана твердотельная геометрическая модель внутренних носовых каналов. Произведено экспериментальное измерение давления воздушного потока в различных точках потока в рамках данной модели;
-
Разработан алгоритм «виртуальной операции», позволяющий осуществлять редактирование компьютерной геометрической модели носовой полости и производить моделирование движения воздуха при дыхании в рамках данной модели.
Объектами исследований являются каналы нерегулярной формы и, в частности, носовая полость человека.
Предметом исследований являются конвективные процессы, связанные с движением воздуха в носовой полости человека при дыхании.
Методы исследований основаны на компьютерном моделировании движения воздуха в каналах нерегулярной формы в рамках компьютерной модели носовых каналов человека, а также экспериментальном измерении искомых величин в рамках твердотельной модели носовой полости.
Научная новизна диссертационной работы:
-
Разработана физическая модель конвективных процессов, связанных с движением воздуха в носовой полости человека при дыхании. Рассчитаны поля скоростей, температур, давлений потока воздуха, а также коэффициент теплоотдачи от поверхности в различных областях носовых каналов;
-
Разработан метод редактирования геометрической модели носовой полости и последующего моделирования движения воздуха в рамках данной модели.
Теоретическая ценность полученных результатов заключается в разработке нестационарной физической модели движения воздуха в носовой полости человека при дыхании.
Практическая ценность полученных результатов состоит в разработке средства диагностики патологических изменений в носовой полости человека, а также алгоритма, позволяющего вносить запланированные к хирургической операции изменения в геометрическую модель носовых каналов и осуществлять повторное моделирование движения воздуха в рамках измененной модели, что позволит увеличить эффективность проводимых операций и исключить ошибки в ходе их выполнения.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Метод создания компьютерной и твердотельной геометрических моделей внутренних носовых каналов человека;
-
Физическая модель конвективных процессов, связанных с движением воздуха в каналах нерегулярной формы на примере носовой полости человека при дыхании;
-
Экспериментальные данные измерений давления в различных точках воздушного потока в рамках созданной твердотельной модели носовой полости человека;
-
Методика редактирования компьютерной геометрической модели внутренних носовых каналов с последующим моделированием движения воздуха в рамках измененной модели.
Достоверность разработанных методов численного
моделирования подтверждается сопоставлением полученных данных с результатами экспериментальных измерений динамических характеристик потока воздуха на твердотельной модели носовой полости.
Апробация результатов исследования:
Основное содержание работы докладывалось на следующих научных конференциях:
VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.);
XL научная и учебно-методическая конференция национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.);
VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.);
I Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2012 г.);
XLII научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2013 г.)
II Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2013 г.).
Результаты диссертации опубликованы в 5 научных публикациях, в т.ч. 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора
Диссертация написана лично автором под руководством его научного руководителя. Все результаты, полученные в ходе исследования и отраженные в настоящей диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и 2 приложений. Она содержит 142 страницы машинописного текста, 50 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает 60 наименований, в т.ч. 48 на иностранном языке.
