Численное моделирование процессов гидродинамики и теплообмена в кровеносной системе

А.В. Чичиндаев (Новосибирск)

Одним из эффективных способов исследования действия на человека экстремальных факторов является численное моделирование физических процессов в организме. В этом случае можно резко сократить дорогостоящие и опасные экспериментальные исследования. Вместе с тем количество работ в этой области в настоящий момент ограниченно, либо применяются упрощённые модели расчёта. Целью настоящей работы является изложение результатов исследований, выполненных с помощью разработанной на кафедре Техническая теплофизика НГТУ модели расчёта гемодинамики кровеносной системы и системы терморегуляции человека.

В основе модели расчёта лежит численное моделирование процессов гидродинамики и теплообмена эквивалентной гидравлической схемы большого круга кровообращения, учитывающей не только основных потребителей артериальной крови, но и особенности включения потребителей в последовательно - параллельную цепь. Исходная математическая модель расчета расходно-напорных характеристик эквивалентной гидравлической системы представляет систему уравнений Бернулли, составленную для пяти характерных групп потребителей: 1 - голова, 2 - руки, 3 - миокард, 4 - мышцы туловища и внутренние органы, 5 - мышцы ног. Распределение кровотока в группе потребителей 4 описывалось с помощью дополнительной системы из 6 линейных уравнений, предназначенных для определения кровотока по органам и тканям туловища. Завершающая часть модели расчёта представляет собой систему уравнений теплового баланса, описывающую особенности теплообмена тканей организма с окружающей средой. В качестве исходных данных используется широкий круг внешних физических факторов (температура, давление, инерционные нагрузки, положение тела и т.д.), а также морфологические свойства организма и крови.

Численное исследование по разработанной модели проведено для следующих вариантов задач. Гидродинамические: особенности влияния на работу кровеносной системы умеренных стационарных линейных ускорений в диапазоне a = -10 ... 0 ... +10 g для трех базовых положений тела: стоя, сидя, лежа, а также особенности воздействия невесомости и гиподинамии. Тепловые: особенности тепловой нагрузки на ткани организма в нестационарных условиях при воздушной гипотермии и гипертермии в диапазоне температур t = - 50 … + 100 0С, а также водной гипотермии в диапазоне t = 0 … 20 0С. Результаты расчетов качественно и количественно согласуются с известными физиологическими данными и дают представление о локальных особенностях гидродинамики и теплообмена в организме человека.