A légúti aszimmetria hatása a kiülepedésre

Lényeges kérdés a légúti aszimmetria hatása a depozícióra. Ezt a „Balásházy I. and Hofmann W. (1995) Deposition of aerosols in asymmetric airway bifurcations. Journal of Aerosol Science 26, 2, 273-292” cikkben elemeztük részletesen. Itt az inhalációs esetek közül is csak néhány alapesetet vizsgálunk. E cikket megelızıen igen vitatott kérdés volt az aszimmetria szerepe. Ezen publikáció volt az elsı, amely vállalkozott ennek tisztázására.

Másoknak nem volt olyan modellje, amellyel az aszimmetriát vizsgálni lehetett volna, hiszen ez volt az egyetlen CFD alapú modell. Gradon és Orlicki 1990 ugyan publikáltak egy végeselem-módszeren alapuló modellt, amely szubmikron részecskék depozícióeloszlását számolta egy szimmetrikus centrális légúti elágazásban, de az a modell nem került további alkalmazásra és fejlesztésre sem.

A leányágak átmérıjében mutatkozó aszimmetria hatását a 62. ábra elemzi, ahol egy keskeny központi résszel rendelkezı, 4–5. légúti generációt képviselı elágazás egyik leányágának átmérıje egyenlı az anyaágéval, míg a másik leányág átmérıje körülbelül fele annak. Az áramlás iránya belégzés, a bejárati sebességprofil parabolikus, valamint 2000 részecskét sorsoltunk ki a bejárati sebességprofilnak megfelelıen. Mindkét leányág elágazási szöge 20^O, az anyaág és a leányág-A átmérıje 0,5 cm, míg a másik leányágé 0,265 cm. A két leányág között a levegıáramok arányát a Navier–Stokes- és a kontinuitási egyenlet adja meg az alkalmazott peremfeltételek mellett, melyeket a Balásházy és Hofmann 1995b cikk részletez. A Reynolds-számok a 3 ágban a következık: az anyaágban 1137, az A leányágban 887, a B leányágban 470. (Re = R v/ ν, ahol R a csı sugara, v az áramlás átlagsebessége és ν a levegı kinematikus viszkozitása) Az anyaági levegıáram 8 l/perc. A 62. ábra a 10µm aerodinamikai átmérıjő (bal panel) és a 0,01 µm aerodinamikai átmérıjő (jobb panel) részecskék kiülepedési eloszlását mutatja.

62. ábra A leányágak átmérıjében mutatkozó aszimmetria hatása a belégzési kiülepedési hatásfokra 0,01 és 10 µm aerodinamikai átmérıjő részecskék esetén. Az anyaágra vonatkoztatott térfogatáram 8 l/perc, a leányágak közötti térfogatáram-eloszlást a Navier–

Stokes-egyenletek adják meg. D_p az anyaág, D_dA és D_dB pedig a leányágak átmérıi, αa és αb

az A, illetve B leányágak elágazási szögei, Q_p az anyaági, Q_dA és Q_dB a leányágakra vonatkozó térfogatáramok, d_p a részecske mérete, η pedig a kiülepedési hatásfok.

A leányág A leányág

θ = 34,5%

B leányág B leányág

BELÉGZÉS

η = 6,45%

η

63. ábra Az elágazási szögben mutatkozó aszimmetria (szimmetrikus és monopodális elágazás) hatása a belégzési kiülepedési hatásfokra 0,01 és 10 µm aerodinamikai átmérıjő részecskék esetén. Az anyaágra vonatkoztatott térfogatáram 8 l/perc. Dp az anyaág, DdA és D_dB pedig a leányágak átmérıit, αa és αb az A, illetve B leányágak elágazási szögeit, Q_p az anyaági, Q_dA és Q_dB a leányágakra vonatkozó térfogatáramokat, d_p a részecskeméretet, η a

kiülepedési hatásfokot jelöli.

A leányág A leányág

ηηηη ^{= 44,4 %} ηηηη = 5,9 %

B leányág B leányág

A leányág A leányág

B leányág B leányág

ηηηη ^{= 25,1 %} ηηηη = 2,4 %

BELÉGZÉS

64. ábra A leányágak közötti térfogatáram-eloszlásban mutatkozó aszimmetria hatása a belégzési kiülepedési hatásfokra 5 µm átmérıjő és 0,891 g/cm³ sőrőségő részecskék esetén.

Az anyaágra vonatkoztatott térfogatáram 8 l/perc. Dp az anyaág, DdA és DdB pedig a leányágak átmérıit, αa és αb az A, illetve B leányágak elágazási szögeit, Q_p az anyaági, Q_dA és Q_dB a

leányágakra vonatkozó térfogatáramokat, dp a részecskeméretet, η pedig a kiülepedési hatásfokot jelöli.

A leányág A leányág

A leányág A leányág

B leányág B leányág

B leányág B leányág

η = 43,25 % η = 40,45 %

η = 48, 5 % η = 60,5 %

BELÉGZÉS

65. ábra Belégzési kiülepedési hatásfokok négy különbözı részecskeméret esetében, ha a B leányág vége zárt. D_p az anyaág, D_dA és D_dB pedig a leányágak átmérıit, αa és αb az A, illetve

B leányágak elágazási szögeit, Qp az anyaági, QdA és QdB a leányágakra vonatkozó térfogatáramokat, dp a részecskeméretet, η pedig a kiülepedési hatásfokot jelöli.

A leányág A leányág

A leányág A leányág

B leányág B leányág

B leányág B leányág

BELÉGZÉS

η = 94,8 % η = 18,9 %

η = 18,9 % η = 51,2 %

A kiülepedési hatásfok (η) 34,5 % a nagy és 6,45 % az ultrafinom részecskék esetében. A 10 µm-es részecskék esetében a nagyobbik leányág belsı oldalán lényegesen több részecske ülepedik ki, mint a kisebbik ágban. A kiülepedett részecskék aránya a két leányágban 6,6 a 10 µm-es, és 3,2 a 0,01 µm-es részecskékre. Az ultrafinom részecskék esetében a depozíciós monopodiális elágazásban (a 0,57-ed része) a szimmetrikus elágazáséhoz képest. A 0,01 µm-es részecskéknél a kiülepedési hatásfok egyrészt jóval kisebb, másrészt a monopodiális elágazásban a szimmetrikus elágazásban deponálódott részecskék számának itt csak a 0,41-ed része ülepedik ki.

A 64. ábrán a leányági levegıáramokban mutatkozó aszimmetria hatását elemezzük a kiülepedés mértékére és eloszlására, 2000, a parabolikus bejárati levegısebesség-profilnak megfelelıen sorsolt 5 µm aerodinamikai átmérıjő részecske esetében. A bal felsı panelen a két leányágban azonos a levegıáram (a Navier–Stokes-egyenlet és a Poisson-egyenlet határozza meg, ahol a peremfeltételek azonosak a két leányágban). Itt a kiülepedés szimmetrikus, azaz közel azonos a két ágban (η = 43%). Ha a levegıáramok arányát megháromszorozzuk a két ágban (QdA/QdB=3, jobb felsı panel), akkor a B ágban a depozíciós forró terület diffúzabb lesz, és a teljes depozíció kismértékben csökken (40% lesz). Ha tovább növeljük a levegıáramok arányát, akkor a depozíciós hatásfok elkezd nıni, és a B ági bejáraton sorsolt részecskeszám 1000, amelynek eloszlása követi a parabolikus bejárati sebességprofilt. A kiülepedési hatásfokok a 10, 1, 0,1 és 0,01 µm-es részecskeméretekre, rendre: 95, 19, 19 és 51%. A nagymérető részecskék kiülepedéseloszlása a karina régió környékén meglehetısen komplex. Az 1 és a 0,1 µm átmérıjő részecskéknél erısen a karina csúcsára lokalizálódott a forró terület, ezenkívül a lezáródott leányágnak valamivel túl a közepén kialakult egy második forró terület. Az ultrafinom mérető részecskék esetében a forró területek eloszlása jóval diffúzabb és szétterjedtebb.