У статті розглядається процес утворення прикордонного шару в дихальних шляхах людини. Вирішується завдання для випадку двовимірного стаціонарного руху. Зроблено оцінку величини і форми прикордонного шару, утворюється при палінні.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Тимошенко М. А., Чередниченко Д. І.


Research of Cigarette Smoke Particles on Humans Respiratory Tract

The process of boundary layer forming in humans respiratory tract is considering in the article. The problem for two-dimensional stationary motion is solving. The expression of boundary layer, forming at smoking, value and form was carried out


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва: 2008
    Журнал: Известия Південного федерального університету. Технічні науки
    Наукова стаття на тему 'Дослідження впливу частинок сигаретного диму на дихальні шляхи людини'

    Текст наукової роботи на тему «Дослідження впливу частинок сигаретного диму на дихальні шляхи людини»

    ?Розділ III. Біотехнології, в т.ч. біомедичні нанотехнології УДК 534.29: 551.594.25

    М. А. Тимошенко, Д. І. Чередниченко ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ЧАСТИНОК сигаретного диму НА ДИХАЛЬНІ ШЛЯХИ ЛЮДИНИ

    Від хвороб, пов'язаних з курінням, щорічно вмирають мільйони жителів планети. Страждають не тільки курці, а й навколишні, так звані пасивні курці. Актуальність цієї проблеми очевидна, тому важливо вивчати вплив частинок сигаретного диму на дихальні шляхи людини.

    Процес дихання людини має періодичний характер, причому відношення тривалостей вдиху і видиху при нормальній прохідності для повітря приблизно 1: 1,5. У спокої людина вдихає і видихає 6-10 л повітря за хвилину. Прийнято вважати, що, з достовірністю 95%, максимум швидкості повітряного потоку на вдиху відповідає потроєному значенням вентиляції хвилинного обсягу дихання, тобто при легеневій вентиляції в 10 л / хв, що відповідає диханню в спокої, максимальна швидкість повітряного потоку складає 30 л / хв. Частинки диму сигарет, вдихувані разом з повітрям, рухаються з тією ж швидкістю, в силу того, що ці частинки дуже маленькі (нанорозмірні) і повністю захоплюються середовищем. Рухаючись в потоці вдихуваного повітря, наночастинки сигаретного диму осідають на поверхні внутрішніх стінок дихальних шляхів і частково поглинаються ними.

    За законами гідродинаміки, потік вдихуваного повітря утворює прикордонний шар щодо внутрішніх стінок дихальних шляхів. Прикордонний шар - область течії в'язкої рідини або газу, що безпосередньо примикає до поверхні обтічного тіла. Тоді можливо вирішити задачу знаходження розподілу часток сигаретного диму в прикордонному шарі. У медицині це завдання представляє інтерес при розробці методів лікування захворювань активних і пасивних курців.

    Розглянемо процес утворення прикордонного шару в трахеї, так як ця ділянка дихальних шляхів людини безпосередньо примикає до легким і має постійний перетин. Довжина трахеї в середньому становить 10 - 12 см, а її діаметр приблизно 2 см. У порівнянні з розмірами частинок тютюнового диму (10 - 300 нм) радіус трахеї досить великий, і можна розглянути ділянку трахеї як площину. Тоді вирішимо завдання для випадку двовимірного стаціонарного руху (рис. 1). Метод рішення викладено в [1]. Для вирішення задачі знаходження товщини прикордонного шару частинок, в якості вихідних рівнянь візьмемо рівняння безперервності

    д? д? в

    - ^ + -у- = 0 (1)

    дх ду

    і рівняння руху Нав'є-Стокса

    ?х д? х +? у Ду = у \ д? + Д? I. (2)

    дх ду ^ дх ду)

    Рівняння (2) є проекцією на вісь Х рівняння руху для випадку двовимірного стаціонарного течії.

    Граничні умови задачі:

    ?у = 0, у = \ Я0 \, х > 0;

    ?х =? 00, у = 0;

    ?х = 0, у = | Я01, Vx? х = 0

    Известия ПФУ. Технічні науки

    Тематичний випуск

    Мал. 1. Прикордонний шар, що розвивається в трахеї, для випадку двовимірного стаціонарного

    течії

    Так як д ^ мало, їм нехтуємо. Тоді (2) 38п§шется як

    дх

    дх

    / ДУ д2к

    у ду ду2

    (3)

    Для всіх х більше нуля профілі швидкостей подібні (умови подібності) між собою, тоді приймемо УТОС

    V.

    ДПП

    | = Р (п),

    (4)

    де п = у / 8 (х) - безрозмірна змінна (при у = 8 (х), ^ п = 1), а 8 (х) - шукана товщина прикордонного шару на відстані х = хз; хз - відстань від входу в трубу, де ^ (х) = | ^ 0 |. Крім того, будемо враховувати, що поза прикордонним шаром (у > 8 (х)),

    обчислимо похідні

    ду, д2Гх

    дх ду ду

    ня (3), потім інтегруємо по п в межах прикордонного шару:

    і підставимо їх і (4) в рівняння руху-

    88

    рр (- п) + - \ ф '(- п)

    до

    У вираженні (5) можна зробити такі позначення:

    1 (п \ 1

    ^ Рр ^ р'пйп йп = В; ^ Ррпйп = А; ^ Р "йп = С.

    про V про

    Таким чином, отримуємо

    (В - А) 8 '= - З

    коор

    (5)

    (6)

    (7)

    Вирішуючи рівняння (9), отримуємо

    х

    V

    Розділ III. Біотехнології, в т.ч. біомедичні нанотехнології

    2 (С .

    ''? 00 (- А) ''

    При інтегруванні враховувалося, що х = 0,5 (х) = 0. Виходячи з того, що при п = 1 (у = 5 (х)),? Х =? 00 (? Х =? 00р (п)), виберемо в якості профілю швидкості функцію:

    3 1 3

    ф {п) = -п - -п (9)

    Тепер диференціюючи (9) по п і підставляючи похідні в формули (6), знаходимо значення А, В і С, тоді А = 9/35; В = 33/280; С = -3 / 2. Звідси товщина прикордонного шару буде рівною:

    I IV

    5 (х) = 4,64 -. (10)

    V? 00

    З формули (5) висловимо швидкість в межах прикордонного шару:

    (11)

    ?х =? 00

    2 5 (х); 2 5 (х)

    У циліндрі прикордонний шар закриється, коли ^ (х) = | Я0 |, звідси знаходимо відстань, на якому шар закриється:

    х3 = (- ^ - 1 (12)

    з ^ 4,64) V

    Оцінимо, як формується прикордонний шар, що утворюється повітрям з зваженими в ньому частинками сигаретного диму (рис. 2), при цьому врахуємо наведені вище умови:

    (1 -? 00 = 0,5 л / с; 2 -? 00 = 0,2 л / с; р = 1,3 кг / м3; п = 18,5 -10-6 кг / (м | с)).

    Мал. 2. Конфігурація прикордонного шару в трахеї людини

    У гідродинамічному прикордонному шарі швидкість збільшується в ех раз. На відстані хз товщина прикордонного шару замкнеться, далі має місце вихровий перебіг. З рис. 2. видно, що частинки сигаретного диму осідають на стінках дихального тракту і, тим самим, засмічують дихальні шляхи, через що виникає кашель та інші захворювання.

    Известия ПФУ. Технічні науки Тематичний випуск

    БІБІЛІОГРАФІЧЕСКІЙ СПИСОК

    1. Р. Берд, В. Стюарт, Е. Лайтфут. Явища переносу. Пер. з англ. - М .: Хімія, 1974. -687 с.

    УДК 534.29: 551.594.25

    М.А. Тимошенко, М.М. Чернов дисперсних РОЗПОДІЛ аерозольних НАНОЧАСТИНОК сигаретного диму ПРИ КУРІННЯ

    При активному і пасивному курінні в організм людини надходять нанорозмірні аерозольні частинки. Для дослідження впливу цих частинок на здоров'я людини необхідно знати їх дисперсне розподіл. Нами досліджено дисперсне розподіл аерозольних часток чотирьох сортів сигарет: Marlboro, Bond, Наша Марка і махорка. Методика взяття проб і дослідження частинок за допомогою наномікроскоп опубліковані в [1].

    Дослідження наночастинок сигаретного диму за допомогою атомно-силової мікроскопії дозволили встановити початкову форму і дисперсний склад частинок. Було встановлено, що частинки сигаретного диму мають округлу довгасту форму, здатні утворювати ниткоподібні агрегати в статичних умовах. Розміри частинок знаходяться в досить широкому діапазоні: від одиниць - десятків нанометрів до десятків мікрон.

    Дисперсне розподіл розглянутих частинок підпорядковується нормальнологаріфміческому закону. Воно представлено у вигляді інтегральних кривих в ймовірносно-логарифмічною сітці, коли по вертикальній осі відкладається процентний вміст частинок, що мають розмір менше цієї величини Dp = 2R (використовуючи табличні значення інтеграла Лапласа), тобто кумулятивна функція розподілу [2]:

    Ф (Dp) = 0,5 ± Р exp

    p -Плі

    Про

    log Dp - log D - log D

    dz,

    (1)

    z = про p * м, Dm = 2Rm ,

    p

    де -logDp - середньоквадратичне відхилення логарифмів діаметрів; DM- медіанний

    діаметр частинок; а по горизонтальній осі - log Dp. У ймовірносно-логарифмічною

    сітці розподіл аерозольних часток за розмірами має форму прямих ліній. У цьому випадку значення розміру для Ф (Ор) = 0,5 (50%) відповідає медианному розміром частинок, а кут нахилу прямої визначається дисперсією розподілу:

    tga =. * • (2)

    - log Dp

    Для розрахунку використовувалися результати досліджень наночасток сигаретного диму, отримані у вигляді фотографій методом атомно-силової мікроскопії. За фотографіями були оцінені розміри частинок і отримано дисперсне розподіл. На рис. 1 наведені мікрофотографії частинок диму відомих марок сигарет.


    Ключові слова: Прикордонний СЛОЙ / СТАЦІОНАРНЕ РУХ / BOUNDARY LAYER / STATIONARY MOTION

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити