Preview

Труды Института системного программирования РАН

Расширенный поиск

Математическая модель, описывающая динамику воздушных потоков в турбинном спирометре

https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2019-31(1)-7

Полный текст:

Аннотация

Заболевания органов дыхания в настоящее время достаточно распространены, поэтому разработка новых эффективных способов их диагностики является актуальной. В данной работе мы описываем разработанную нами математическую модель взаимодействия потоков воздуха с подвижными частями прибора для недавно созданного турбинного спирометра нового типа. Он обладает рядом технических особенностей, которые должны быть учтены при моделировании. Среди прочих это достаточно существенная инерция турбины и слабое трение. Модель основана на уравнении моментов и содержит несколько эмпирических параметров. Поскольку трение в системе мало, то основные соотношения рассматриваются в линейном приближении. Экспериментальная проверка модели проведена в двух режимах работы спирометра. Во-первых, исследовано движение турбины по инерции после выключения внешнего источника воздуха. Во-вторых, проанализирована зависимость угловой скорости вращения турбины от скорости внешнего постоянного потока воздуха. Расчеты показали, что в указанных двух режимах разработанная математическая модель достаточно хорошо описывает результаты экспериментов. Также в настоящей работе указан простой способ определения эмпирических параметров на этапе калибровки прибора. Он основан на применении метода наименьших квадратов и не требует привлечения больших вычислительных мощностей. Это является важным обстоятельством, поскольку исследуемый спирометр предназначен для использования не только в специализированных медицинских учреждениях, но также и в бытовых условиях. На базе соотношений разработанной математической модели, предложен численный метод нахождения скорости входного потока воздуха. Это позволяет, опираясь на показания прибора, получать клинически значимую информацию о состоянии органов дыхания.

Об авторах

Евгений Александрович Киселев
Воронежский государственный университет
Россия


Алексей Владимирович Максимов
Воронежский государственный университет
Россия


Сергей Дмитриевич Кургалин
Воронежский государственный университет
Россия


Сергей Алексеевич Зуев
Воронежский государственный университет
Россия


Список литературы

1. . Godschalk I., Brackel H.J., Peters J.C., Bogaard J.M. Assessment of accuracy of applicability of a portable electronic diary card spirometer for asthma treatment. Respiratory Medicine, vol. 90, no. 10, 1996, pp. 619-622.

2. . Yeh M.P., Adams T.D., Gardner R.M., Yanowitz F.G. Turbine flowmeter vs. Fleisch pneumotachometer: a comparative study for exercise testing. Journal of Applied Physiology, vol. 63, no. 3, 1987, pp. 1289-1295.

3. . Сокол Е.И., Кипенский А.В., Томашевский Р.С., Король Е.И., Гура Ю.Н. Спирометрия. Ее техническое обеспечение. Проблемы и перспективы. Технiчна електродинамiка: тем. вип. Проблеми сучасноi електротехнiки, ч. 3, 2008, стр. 119-124.

4. . Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Дрофа, Москва, 2003 г., 840 стр.

5. . Ахметов В.К., Шкадов В.Я. Численное моделирование вязких вихревых течений для технических приложений. АСВ, Москва, 2009 г., 176 стр.

6. . Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений. Изд-во Политехнического университета, Санкт-Петербург, 2012 г., 88 стр.

7. . Димитриенко Ю.И. Нелинейная механика сплошной среды. Физматлит, Москва, 2009 г., 624 стр.

8. . Голубев А.Г., Калугин В.Т., Луценко А.Ю., Москаленко В.О., Столярова Е.Г., Хлупнов А.И., Чернуха П.А. Аэродинамика. Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2010 г., 687 стр.

9. . Дыхательный тренажер, патент № 171354, Российская федерация, заявка № 2016145837 22.11.2016, опубликован 29.05.2017, бюл. № 16, 2 стр.

10. . Chowienczyk P.J., Lawson C.P. Pocket-sized device for measuring forced expiratory volume in one second and forced vital capacity. British Medical Journal, vol. 285, 1982, pp. 15-17.

11. . Goreke U., Habibi S., Azgin K., Beyaz M. A MEMS turbine prototype for respiration harvesting. Journal of Physics: Conference Series, vol. 660, no. 1, 2015.

12. . Goreke U., Habibi S., Azgin K., Dogrusoz Y.S. The Development and Performance Characterization of Turbine Prototypes for a MEMS Spirometer. IEEE Sensors, vol. 16, no. 3, 2016, pp. 628-633.

13. . Старшов А.М., Смирнов И.В. Спирография для профессионалов. Изд-во Познавательная книга Пресс, Москва, 2003 г., 77 стр.

14. . Чучалин А.Г., Черняк А.В., Чикина С.Ю., Авдеев С.Н., Науменко Ж.К., Неклюдова Г.В., Айсанов З.Р., Калманова Е.Н. Функциональная диагностика в пульмонологии: Практическое руководство. Издательский холдинг Атмосфера, Москва, 2009 г., 192 стр.


Для цитирования:


Киселев Е.А., Максимов А.В., Кургалин С.Д., Зуев С.А. Математическая модель, описывающая динамику воздушных потоков в турбинном спирометре. Труды Института системного программирования РАН. 2019;31(1):105-114. https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2019-31(1)-7

For citation:


Kiselev E.A., Maksimov A.V., Kurgalin S.D., Zuev S.A. Mathematical model describing air flow dynamics in a turbine spirometer. Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS (Proceedings of ISP RAS). 2019;31(1):105-114. (In Russ.) https://doi.org/10.15514/ISPRAS-2019-31(1)-7

Просмотров: 223


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2079-8156 (Print)
ISSN 2220-6426 (Online)