Измерения и анализ флуктуаций температуры, скорости и давления в каналах нерегулярной формы

Актуальность работы.

Настоящая работа посвящена исследованию конвективных процессов в каналах нерегулярной формы, плохо поддающихся точному геометрическому описанию. Каналы нерегулярной формы обладают многочисленными выступами, неровностями и другими нерегулярностями по своему внутреннему сечению. К ним можно отнести многие природные объекты, такие как, .например, гидросистемы, литосистемы, геосистемы. К каналам нерегулярной п ч формы, в частности, можно отнести дыхательную систему человека, в которой происходит конвективное движение воздуха.

При исследовании гидрои аэродинамических потоков в нерегулярных каналах, как правило, используют стандартные методы, не учитывающие в полной мере сложное геометрическое строение изучаемых объектов. Вместе с тем с движением водных потоков в руслах рек под неровною коркою льда связаны ледотермические и гидравлические задачи, влияющие на проходимость рек в зимнее время. Строение литои геосистем определяют конвективные и термодинамические особенности, а с ними процессы физического выветривания и разрушения.

Актуальным является изучение конвективных воздушных потоков внутри. сложной нерегулярной структуры носа человека. Необходимость их ч экспериментального исследования вызвана как распространенностью дефектов и заболеваний дыхательной системы человека, так и практическим отсутствием полноценных физических моделей этой системы, адекватно отражающих динамические процессы дыхания.

Нарушения процессов движения воздуха в дыхательной системе человека проявляются в заболеваниях дыхательной системы, по характеру такого движения можно диагностировать наличие, отсутствие и характер заболеваний.

При исследовании конвективных потоков внутри каналов нерегулярной формы, рассмотренных нами на примере полостей носа человека, используют диагностические приборы, основанные на измерении гидродинамических характеристик: расхода, скорости воздушного потока, давления и коэффициента носового сопротивления. Коэффициент носового сопротивления является аналогом гидродинамического сопротивления и определяется как отношение давления (или его перепада на входе и выходе из полостей носа) к скорости воздуха измеренной в том же отделе носа. При этом в диагностике практически не рассматривается тепловая составляющая конвективного потока. Тот факт, что человек всегда выделяет тепло, вдыхая холодный воздух, выделяет нагретый до температуры своего тела, в настоящее время в медицине не используется.

Нами было сделано предположение, что конвективные тепло и массообменные характеристики дыхания также могут характеризовать состояние органов дыхания человека, как и гидродинамические, и возможно даже улучшат современные возможности диагностирования.

Другой недостаток применяемых в клинической практике диагностических приборов заключается в использовании гладких дополнительных трубок, подводимых к органам дыхания, в которых и располагаются датчики. Результат измерения в таких трубках оказывается значительно сглаженным, отражающим усредненные измеряемые характеристики. Такими приборами можно определить уже развитую патологию полости носа, исключая возможность раннего диагностирования.

В связи с перечисленными причинами возникла необходимость в разработке нового метода для получения достоверной информации о конвективных и тепловых потоках внутри каналов нерегулярной формы, имеющих многочисленные выступы, неровности, ответвления, при полном сохранении формы таковых.

Объектом исследований в данной работе являются конвективные процессы, протекающие внутри каналов нерегулярной формы, рассмотренных на примере полостей носа человека.

Цель работы заключается в изучении характера движения воздуха внутри нерегулярных каналов, и в создании на базе полученных результатов исследования метода ранней диагностики и уточнения диагноза.

В рамках поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведена диагностика основных составляющих конвективного потока — температуры, скорости и давления внутри каналов нерегулярной формы.

2. Измерены пульсации температуры на выходе из дыхательной системы и выявлены характерные особенности этих пульсаций.

3. Оценен коэффициент гидравлического сопротивления внутри нерегулярных каналов.

4. Создан метод диагностирования по вычисленным оценкам спектральной плотности мощности измеренных величин (температуры, скорости и давления) и их хаотических инвариант.

5. Показано, что для целей диагностики достаточно проводить измерения только пульсаций температуры.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. На основе измерений пульсаций температуры, а также скорости и давления воздушного потока, в отдельных частях нерегулярных каналов, предложен метод диагностики состояния здоровья человека по спектральной плотности мощности измеряемого сигнала и хаотическим инвариантам.

2. Установлен факт перераспределения энергии колебаний температуры, скорости и давления по спектру в зависимости от формы и строения нерегулярных каналов.

3. Выявлены изменения в величине корреляционной размерности при изменениях в строении нерегулярного канала. Установлено, что величина корреляционной размерности возрастает при усложнении строения нерегулярного канала.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод оценивания пространственно-временной структуры колебаний воздушного потока при движении его через каналы, имеющие сложную, нерегулярную форму, на основе измерений температуры, скорости, и давления воздушного потока.

2. Экспериментальные данные, по которым установлен факт i, перераспределения энергии колебаний по спектру, а также изменения в величине корреляционных размерности и энтропии в зависимости от формы и строения нерегулярных каналов.

3. Оценка коэффициента носового сопротивления, являющегося аналогом коэффициента гидравлического сопротивления, проведенная на примере полостей носа человека и полостей искусственной модели носа.

Практическая ценность работы:

Предложен метод оценивания пространственно-временной структуры воздушного потока при движении его через каналы, имеющие сложную, нерегулярную форму. Метод апробирован для внедрения в оториноларингологии для распознания и уточнения заболеваний верхних дыхательных путей.

Метод может быть использован:

• при расчете и проектировании современных расходомеров-счетчиков газа,.

• при диагностике заболеваний дыхательной системы человека.

Основные результаты работы:

На примере дыхательной системы человека получены новые данные для пульсаций температуры, скорости и давления воздушного потока в каналах нерегулярной формы.

Полученные результаты показали, что дыхание представляет собой диссипативный хаотический процесс, и легли в основу впервые предложенного метода, предназначенного для определения сложного характера конвективных потоков в каналах нерегулярной формы. Предложенный метод заключается в: ^ • измерении пульсаций температуры на входе в нос;

• вычислении спектральной плотности мощности для измеренной температуры;

• реконструкции методом задержек аттрактора измеренной величины;

• нахождении для реконструированного аттрактора корреляционной размерности и энтропии;

• диагностировании по полученным данным состояния человека. Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором под руководством его научного руководителя. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения и разработанный метод диагностирования конвективных потоков дыхания.

Реализация результатов работы отражена актами внедрения от МАПО, СПбГУ ИТМО, ЗАО «ВЗЛЕТ».

В гранте конкурсного центра фундаментального естествознания, № М05−4.0К-7 «Натурная модель для исследования дыхательной функции носа», предоставленном правительством Санкт-Петербурга для поддержки студентов и аспирантов.

Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на следующих научных конференциях:

• VII всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов у.

Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения", Таганрог, 2004;

• I конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, С-Пб, 2004;

• XX конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО, С-Пб, 2005;

• II межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, С-Пб, 2005;

• международной конференции «International Conference Physics and Control Proceedings», PhysCon 2005, С-Пб, 2005;

• XXI конференции профессорско-преподавательского состава СПбГУ ИТМО, 2006;

• III межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО, СПб, 2006.

Результаты диссертации опубликованы в 9 научных публикациях. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы и четырех приложений. Она содержит 141 страницу машинописного текста, 53 рисунка, и 8 таблиц.

Список литературы

включает 84 наименования.

Основные результаты работы: ' > На примере дыхательной системы человека получены новые данные для пульсаций скорости, давления и температуры воздушного потока в каналах нерегулярной формы.

Полученные результаты показали, что дыхание представляет собой диссипативный хаотический процесс, и легли в основу впервые предложенного метода, предназначенного для определения сложного характера конвективных потоков в каналах нерегулярной формы.

На защиту выносятся:

Метод оценивания пространственно-временной структуры воздушного потока при движении его через каналы, имеющие сложную, нерегулярную форму, на основе измерений скорости, давления и температуры воздушного потока. > Экспериментальные данные, по которым установлен факт перераспределения энергии колебаний по спектру, а также изменения в величине корреляционных размерности и энтропии в зависимости от формы и строения нерегулярных каналов.

Оценка коэффициента носового сопротивления, являющегося аналогом коэффициента гидравлического сопротивления, проведенная на примере полостей носа человека и полостей искусственной модели носа.

Практическая ценность работы:

Метод апробирован для внедрения в оториноларингологии для распознания и уточнения заболеваний верхних дыхательных путей.

Метод может быть использован: I • при расчете и проектировании современных теплообменных аппаратов;

• в радиоэлектронной аппаратуре при контроле за протекающими там теплои массообменными процессами.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи, имеющей существенное значение для совершенствования метода оценивания режимов потоков в нерегулярных > каналах. В работе проведены измерения и анализ колебаний температуры, скорости и давления воздуха в нерегулярных каналах. Важным выводом проведенного исследования являются установленные зависимости, позволяющие судить о проходимости нерегулярных каналов по характеру колебания воздушного потока.

V.

Заключение

.

Для изучения особенностей конвективных потоков внутри дыхательной системы человека проведены исследования флуктуаций температуры, скорости воздушного потока и давления в органах дыхания человека.

На основании этих исследований на кафедре КТФ и ЭМ СПбГУ ИТМО создан метод и, на его основе, макет прибора, позволяющий измерить температуру, скорость воздушного потока и давление внутри полостей носа без внесения серьезных искажений в воздушный поток. Практическое отсутствие искажений отличает его от существующих приборов и позволяет измерять динамические характеристики потока практически без искажений.

Прибор прошел пробную эксплуатацию в МАПО для ранней диагностики и уточнений характера заболеваний дыхательной системы.

• ^ Апробация разработанного соискателем метода и прибора была осуществлена более чем на 500 пациентах. Апробация выявила надежность и высокую эффективность прибора.

Для изучения характеристик воздушного течения в верхних дыхательных путях, автор разработал и построил действующую натурную модель полостей носа, полностью повторяющая их внутреннее анатомическое строение. Внутри различных частей модели методом термоанемометрии были измерены скорости воздушного потока. Полученные данные практически полностью совпали с теми значениями скорости воздушного потока, которые были получены ринологическим прибором при экспериментах на человеческом дыхании.

Были получены данные пульсаций скоростей воздушного потока, давления и температуры в дыхательных путях. Был оценен коэффициент.

• носового сопротивления, который является аналогом коэффициента гидродинамического сопротивления, для модели носа и для больных прошедших курс лечения по поводу заболеваний носа.

Полученная информация по скорости воздушного потока, давлению и температуре позволила посмотреть на процесс дыхания как на диссипативный процесс, для которого были реконструированы аттракторы, найдены корреляционная размерность и энтропия, изучены спектральные составляющие временных зависимостей. Найденные величины легли в основу впервые предложенного метода, предназначенного для диагностирования дыхания и уточнения заболеваний носа.

Предложенный метод заключается: • • В измерении основных составляющих конвективного потока непосредственно в полостях носа человека.

• В реконструкции по измеренным переменным аттрактора методом временных задержек.

• В нахождении для реконструированных аттракторов корреляционной размерности и энтропии.

• В построении графика спектральной плотности мощности для исследуемой переменной, и его оценке.

• В построении сечения Пуанкаре и анализе его внешнего вида. Восстановленный аттрактор здорового человека подобен клубку, намотанному на некоторую цилиндрическую поверхность, где в верхней и нижней его частях (соответствующих верхним пикам вдоха и выдоха) Присутствуют высокочастотные колебания. Распространение колебаний на боковые поверхности аттрактора свидетельствует об усложнении конвективных процессов и, следовательно, о затруднении дыхания.

Корреляционная размерность здорового человека дробная и лежит в интервале 2 3. Корреляционная энтропия положительна, меньше единицы, и лежит в пределах 0,34 < К < 0,35.

Значительная наглядность конвективных процессов достигается при применении методов Фурье-анализа и спектрального оценивания величин. Так. дыханию здорового человека соответствуют два основных пика графика СПМпри дыхании больного количество пиков возрастает, что свидетельствует о хаотизации процесса дыхания.

Хаотизацию дыхания можно также заметить при анализе сечения Пуанкаре, которое для здорового человека оказывается подобным сечению тора, а для больного принимает хаотичный вид.