Abstract

Ограничение дыхательных путей для физических упражнений остается важной нерешенной клинической проблемой; в результате многие люди неверно истолковывают эффекты ограничения потока выдоха как феномен «все или ничего». Ограничение потока выдоха не является универсальным; приближение к максимальному потоку выдоха может иметь важное влияние не только на вентиляционную способность, но также на механику дыхания, контроль вентиляции и, возможно, одышку при физической нагрузке и непереносимость физических упражнений.

Ключевые слова: динамическое сжатие дыхательных путей, максимальный поток выдоха, механика дыхания, вентиляционные ограничения для упражнений, вентиляционные ограничения, вентиляционные ограничения, сердечно-легочные упражнения

ВВЕДЕНИЕ V̇

Петли максимального потока-объема и петли дыхательного потока-объема в покое и во время тренировки.A. Нормальный взрослый человек без ограничения потока выдоха (EFL) показывает запасы потока выдоха, потока вдоха и дыхательного объема (V _T ). B. Петля максимального расхода и объема, определенная из потока, измеренного во рту (петля рта = сплошная линия), и петля максимального потока-объема, определенная из потока, измеренного во рту, и объема, измеренного плетизмографом тела с поправкой на объем-смещение с поправкой на давление (прямоугольная петля = пунктирная линия). Когда приливной поток выдоха приближается к максимальному потоку выдоха или сталкивается с ним, это называется EFL.При этом рабочем объеме легких (EELV) резерв вентиляции больше вентиляции, по крайней мере, в абсолютных пределах. Однако последствия приближения к этому абсолютному пределу для дыхания недооцениваются. Объем = выдохший объем ниже общей емкости легких; V _T = дыхательный объем; EELV = объем легких в конце выдоха; EILV = объем легких в конце вдоха. [Адаптировано из (4). Авторское право © 1999 Lippincott Williams & Wilkins. Используется с разрешения.]

Однако EFL не является явлением по принципу «все или ничего».Приближаясь к максимальному потоку выдоха и / или с началом динамического сжатия дыхательных путей, механика дыхательных путей начинает меняться, которая продолжает изменяться до тех пор, пока не будет достигнут максимальный поток выдоха. Основываясь на наших исследованиях EFL и механики дыхания во время упражнений у здоровых взрослых и респираторных пациентов, мы предполагаем, что приближение к максимальному потоку выдоха, как и EFL, может иметь важные эффекты не только на вентиляционную способность, но также на механику дыхания, контроль вентиляции и, возможно, одышка при физической нагрузке и непереносимость физических упражнений.Таким образом, определение точной точки и величины воздействия потока приливного выдоха на максимальный поток выдоха (т. Е. EFL) может быть не единственной важной задачей. Приближение к максимальному потоку выдоха и / или минимальному EFL может играть большую роль в изменении механики дыхания (например, операционных объемов легких, характера дыхания, средней скорости потока) и контроля вентиляции (например, респираторной реакции при физической нагрузке, времени дыхания) и, возможно, способствовать дискомфорт при дыхании и непереносимость физических упражнений, чем те ограничения, которые они накладывают на вентиляционную способность выдоха, как принято считать. В этой рукописи основное внимание уделяется пониманию EFL и потенциальной роли, которую он играет в вентиляции, механике дыхания и контроле вентиляции, и, возможно, одышке при физической нагрузке и непереносимости физических упражнений. Признание влияния этих эффектов важно для правильной интерпретации вентиляционных ограничений, возникающих во время упражнений, и их способности накладывать вентиляционные ограничения на упражнения.

МАКСИМАЛЬНЫЙ ВЫХОДНОЙ ПОТОК И ОГРАНИЧЕНИЕ ВЫДЫХАТЕЛЬНОГО ПОТОКА (EFL)

Чтобы оценить важность приближения и / или получения максимального выдыхаемого потока (т.е., EFL), важно вкратце понять детерминанты максимального потока выдоха, которые иллюстрируются соотношением давление-поток при заданном объеме легких (т. е. соотношением изобъемного давления-потока). Эту взаимосвязь можно продемонстрировать, построив кривые изометрического давления-потока (кривые IVPF), которые используются для определения максимального потока выдоха (12) (). Ниже 80% ФЖЕЛ поток выдоха достигает максимума независимо от того, насколько сильно вы выдыхаете (т. Е. Независимо от усилий). Механизм этого ограничения, хотя и важен, не является необходимым для понимания эффектов приближения к максимальному потоку выдоха во время тренировки и здесь не будет обсуждаться.Есть много хороших обзоров по этой теме, написанных Робертом Э. Хаяттом или Джерри Мидом.

Изометрические кривые давления и расхода. Левая панель: ступенчатые петли поток-объем, используемые для построения кривых потока изобъёмного давления (правая панель). Вертикальные пунктирные линии на левой панели указывают потоки и давление, измеренные при 80, 70 и 50% общей емкости легких (TLC). Вертикальные пунктирные линии на правой панели указывают минимальное критическое давление для максимального потока (Pcrit), а горизонтальные пунктирные линии указывают максимальный поток выдоха.[Адаптировано из (12). Авторское право © 2000 Американское физиологическое общество. Используется с разрешения.]

На графике ЭКО () плевральное давление повышается по мере увеличения потока до начала динамического сжатия дыхательных путей (т. Е. До начала сжатия соотношение между потоком и давлением можно смоделировать с помощью P = K ₁ V̇ + K ₂ V̇ ² ). После начала динамического сжатия дыхательных путей давление увеличивается со скоростью, превышающей скорость, предсказанную приведенным выше уравнением, и намного быстрее, чем поток.Это показано на примере кривой ЭКО, полученной при 65% ФЖЕЛ в (22). В результате сопротивление дыхательных путей (т. Е. Поток / давление) может достигать значения, в 6 раз большего, когда поток выдоха становится фиксированным, а диаметр ограничивающего поток сегмента дыхательного пути фиксируется (см. Приложение 1, рис. 12 в Mead et. Al., 1967) (22).

Кривая среднего Isovolume давления потока при 65% жизненной емкости. Обратите внимание на начало динамического сжатия дыхательных путей при расхождении кривой давления Palv и isovolume потока.Palv = альвеолярное давление, Ppl = плевральное давление, VC = жизненная емкость легких, Pst (l) = статическое давление отдачи легкого. [Адаптировано из (22). Авторское право © 1967 Американское физиологическое общество. Используется с разрешения.]

Здесь важно понимать, что начало динамического сжатия дыхательных путей и последующее увеличение сопротивления дыхательных путей начинаются задолго до того, как поток выдоха становится ограниченным. Например, при 65% общей емкости легких (TLC) начало динамического сжатия начинается при потоке выдоха на 2 л / с ниже максимального потока выдоха (22).Это означает, что, когда приливной поток выдоха приближается к максимальному потоку выдоха и / или достигает начала динамического сжатия дыхательных путей, механика дыхательных путей начинает изменяться, которая продолжает изменяться до тех пор, пока не будет достигнут максимальный поток выдоха. В зависимости от объема легких это может дать широкий порог потока выдоха от 1 до 2 л / с, когда механика дыхательных путей может влиять на дыхание. Таким образом, определение точной точки воздействия потока приливного выдоха на максимальный поток выдоха (т. Е. EFL) – не единственная серьезная проблема.Заметные изменения в механике дыхательных путей уже начали происходить задолго до того, как окончательно получена EFL и / или до того, как дыхательная способность будет действительно ограничена (т. Е. Приливной поток выдоха соответствует максимальному потоку выдоха на большой части V _T – см. Ниже).

Кроме того, во многих случаях наклон кривой приливного выдоха может быть аналогичен наклону максимального выдыхательного потока (т. Е. Параллельному, но ниже максимального выдоха), когда приливный выдоховый поток приближается к максимальному выдохному потоку.Это связано с тем, что постоянная времени для потока воздуха из легких определяется многими из тех же факторов, что и те, которые определяют максимальный поток выдоха (т. Е. Сопротивление дыхательных путей и эластичность легких) (22). Следовательно, установление точной точки, в которой приливной поток выдоха соответствует максимальному потоку выдоха (т. Е. EFL) или точному количеству EFL, является в основном академическими вопросами. Клинически и физиологически достижение максимальной скорости выдоха может быть не менее важным, чем EFL. Ограничения дыхания и / или ограничения вентиляции уже были инициированы по мере приближения к максимальному потоку выдоха и задолго до того, как EFL фактически ограничивает вентиляционную способность выдоха.Таким образом, начало динамического сжатия дыхательных путей и значительное увеличение сопротивления дыхательных путей может инициировать последующие изменения в механике дыхания (т. Е. Изменения рабочих объемов легких и функции дыхательных мышц), вентиляции (т. Е. Включая вентиляционную мощность) и возможно одышка при физической нагрузке и непереносимость физических упражнений, а не абсолютные ограничения дыхательной способности (например, EFL). Другие возможности могут включать изменения сердечно-сосудистой функции в результате колебаний давления в грудной клетке, но эти изменения выходят за рамки данной рукописи (31).Кроме того, существуют различные методы определения EFL, некоторые из которых имеют более полное представление, но они не будут обсуждаться, поскольку они имеют дело только с точным указанием точной точки и величины EFL (1).

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРИ НАСТУПЛЕНИИ EFL – ВЕНТИЛЯТОРНАЯ МОЩНОСТЬ

В ходе обширного анализа петли максимального потока-объема мы продемонстрировали влияние максимального потока выдоха, объема легких в конце выдоха (EELV) и характера дыхания на теоретическую вентиляцию. емкость (4; 6; 11) ().В схематическом представлении в, максимальное значение V̇ _E рассчитано для различных комбинаций функциональной остаточной емкости (FRC, функционально эквивалентно EELV), V _T и F _b для данного контура потока-объема и нанесено на график в зависимости от вентиляции. изоплеты. Этот график показывает, что для V _T , который возникает при более высоком FRC, вентиляционная способность значительно увеличивается по сравнению с V _T , который возникает при более низком FRC (например, FRC по сравнению с FRC-1L). Сравнивая эти теоретические результаты с фактическими данными упражнений, мы установили, что с помощью тонких физиологических корректировок в механике дыхания (например,g. , увеличение EELV, уменьшение времени выдоха и увеличение или уменьшение V _T ) вентиляционная способность обычно превышает потребность в вентиляции во время субмаксимальных упражнений (6; 10; 11).

Схематическое изображение влияния функциональной остаточной емкости (FRC, функционально эквивалентной объему легких в конце выдоха [EELV]) на расчетную максимальную вентиляцию для данного дыхательного объема и модели дыхания. Значения рассчитывались по кривой максимального потока на выдохе.Обратите внимание, как больший теоретический диапазон минутной вентиляции (V̇ _E , 160–220 л / мин) может быть произведен при более высоком FRC. Рассчитанный диапазон вентиляции намного ниже при FRC-1 L. Однако расчетные теоретические частоты вентиляции намного выше, чем когда-либо ожидалось во время упражнений. [Адаптировано из (11). Авторское право © 1993. Американское физиологическое общество. Используется с разрешения.]

Причина, по которой мощность вентиляции обычно превышает V̇ _E , заключается в том, что EFL редко встречается во всем диапазоне V _T . Создание максимального потока выдоха в начале выдоха (т. Е. В начале выдоха) потребует больших усилий и незначительно увеличит V̇ _E . Кроме того, большее усилие в начале выдоха увеличит величину EFL (то есть большее динамическое сжатие дыхательных путей) во время более поздней части выдоха (то есть в конце V _T около EELV). Мы обнаружили, что здоровые люди и пациенты с хроническим ограничением воздушного потока в одинаковой степени обычно не используют верхнюю часть кривой максимального объема выдоха по этим причинам (2; 3; 5; 10; 13; 16).Объяснение этого может включать другие механизмы контроля дыхания, как будет обсуждаться позже.

Таким образом, кривые поток-объем выдоха относительно округлены или имеют наклон, аналогичный кривой максимального потока-объема выдоха для первых 50% V _T с EFL, возникающим в течение последних 0–50% V _T (). Тем не менее, приливный поток выдоха в первых 50% V _T может быть близок к началу динамического сжатия дыхательных путей или превышать его (т. е.е., частично разрушен, но поток еще не ограничен). Этот типичный профиль приливного выдоха обычно не изменяется даже при повышении EELV, за исключением крайних случаев респираторного заболевания, дыхательного стресса или коротких произвольных дыхательных маневров. Таким образом, вентиляционная мощность почти всегда меньше, чем абсолютная теоретическая или рассчитанная максимальная вентиляционная мощность для данного EELV. Эта концепция чрезвычайно важна. Когда практикующий врач оценивает, достигается ли максимальное механическое ограничение вентиляции легких или приближается ли к нему во время тренировки, кривая приливного выдоха с EFL только для части кривой выдоха, как показано на рисунке, является тем, что следует рассматривать как ограничение или ограничение вентиляции, в отличие от кривая поток-объем при выдохе с EFL во всем диапазоне V _T .

Кривые максимального потока и объема выдоха на выдохе. Расчетная максимальная минутная вентиляция (V̇ _E л / мин) с использованием большей части кривой максимального выдоха. Если был использован весь резерв выдоха, можно было получить максимум V̇ _E 129 л / мин. Однако, за исключением крайних обстоятельств или маневров произвольного дыхания, таких как максимальная произвольная вентиляция (MVV), этого никогда не наблюдается. Кривые производительности 114 или 106 л / мин более реалистичны.Таким образом, вентиляционная мощность при 90 л / мин очень близка к вентиляционной мощности. Ex = упражнение, R = отдых. [Адаптировано из (11). Авторское право © 1993. Американское физиологическое общество. Используется с разрешения.]

Следовательно, мы считаем, что достижение абсолютной теоретической или произвольной кривой максимального объема выдоха может не быть необходимым для получения значительных или важных вентиляционных ограничений. Более того, наша работа показала, что приближение к началу динамической компрессии может быть столь же важным, как и EFL, для того, чтобы вызвать изменения в механике дыхания и минимизировать степень EFL во время упражнений (4; 11; 13).

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРИ НАСТУПЛЕНИИ EFL – ДЫХАТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА

Когда максимальный поток выдоха значительно приближается или EFL достигается за некоторую долю V _T , в настоящее время наблюдаются хорошо известные реакции в механике дыхания. Это можно увидеть у пациентов с хроническим ограничением воздушного потока (5; 10; 13), пожилых людей (3), взрослых с ожирением (8; 17), молодых мужчин с гипербарическим ограничением потока воздуха (27), а также у молодых и пожилых спортсменов. (7; 19). Наши результаты показывают, что ответы на EFL одинаковы независимо от причины EFL (т.е.е., уменьшение максимального потока выдоха из-за болезни, старения или воздействия окружающей среды, или увеличение потребности в вентиляции). Однако величина EFL или частота встречаемости EFL могут различаться среди разных популяций и даже полов. Клиническое использование и последствия этих изменений в механике дыхания были недавно рассмотрены при определении ограничений вентиляции для упражнений (4).

Вкратце, EELV обычно уменьшается с началом упражнения из-за задействования выдыхательных мышц.Это снижение EELV может быть ответственно за большую часть увеличения V _T первоначально (например, до 100% в некоторых случаях) с объемом легких в конце вдоха (EILV), составляющим оставшееся увеличение V _T (9). Это разделение увеличения V _T на резервный объем выдоха и резервный объем вдоха также разделяет увеличение работы дыхания между мышцами выдоха и вдоха. На большей части диапазона упражнений V̇ _E увеличивается за счет увеличения как V _T , так и F _b , но преимущественно за счет увеличения V _T , особенно при упражнениях с меньшей интенсивностью, в то время как F _b резко увеличивается при упражнениях с более высокой интенсивностью. .Считается, что величина снижения EELV во время упражнений предположительно ограничивается нелинейностью зависимости давления грудной стенки от объема у людей, которые никогда не достигают EFL, или началом динамического сжатия дыхательных путей. Тем не менее, мы обнаружили у взрослых с ожирением, что снижение EELV во время упражнений меньше, чем в положении лежа на спине, что предполагает некоторый активный контроль, который может быть задействован в определении EELV во время упражнений (8; 17). EILV обычно увеличивается до тех пор, пока не приближается к 80–90% TLC, и обычно считается, что он ограничивается эластичной работой на грудной стенке и силой инспираторных мышц.

Приближение к максимальному потоку выдоха (т. Е. Начало динамического сжатия дыхательных путей) или EFL связано с увеличением EELV (т. Е. Гиперинфляцией EELV) (28). Мы установили, что, когда EELV и EILV при физической нагрузке увеличиваются относительно EELV и TLC соответственно, они указывают на гиперинфляцию этих динамически определяемых объемов легких (т. Е. В отличие от объемов легких, статически определяемых в состоянии покоя, таких как FRC) (4; 11; 13) . Важно помнить, что увеличение EELV является одновременно признаком приближения ограничения вентиляции и увеличения вентиляционной емкости, как упоминалось ранее. Наша работа показала, что они движутся в тандеме, за исключением крайних случаев ограничения максимального потока выдоха (6; 11). Поскольку и спрос, и мощность динамичны, очень трудно определить, когда достигается вентиляция и / или когда V̇ _E действительно ограничен. Тем не менее, крайне важно распознать, когда происходит процесс (т. Е. Повышение EELV и изменения в механике дыхания), в отличие от сосредоточения внимания на точной величине EFL (т. Е.% V _T ). Как объяснялось выше, возможно, что абсолютное ограничение вентиляционной способности менее важно, чем процесс приближения к EFL и изменения EELV.Отчасти это связано с тем, что мы еще не полностью понимаем механизм повышения EELV.

Первоначально считалось, что, поскольку приливной поток выдоха был ограничен, время выдоха (T _E ) занимало больше времени, чем позволял регулятор дыхания (то есть, T _E , увеличенный в результате ограничения потока), и рост EELV увеличивался пассивно. Однако начало динамического сжатия дыхательных путей может сигнализировать о раннем прекращении выдоха, что приводит к увеличению EELV (27; 28).Чтобы исследовать эту возможность, мы применили пороговую нагрузку выдоха у людей с EFL и без него во время упражнений (28). У субъектов без EFL поток выдоха был значительно уменьшен, а T _E увеличился без изменения V _T , а EELV немного увеличился при приложении нагрузки (). Когда экспираторная нагрузка накладывалась на субъектов с EFL, поток выдоха уменьшался, и пациенты не получали EFL до тех пор, пока объем легких не снизился (т.е. не уменьшился EELV).Уменьшение потока выдоха позволило увеличить T _E . Эти данные свидетельствуют о том, что сжатие дыхательных путей ниже по потоку от ограничивающего поток сегмента может вызывать рефлекторный ответ, который может изменять механику дыхания, в частности время выдоха, тем самым увеличивая EELV.

Составные кривые поток-объем без и с ограничением дыхательного выдоха (EFL). Большие петли потока-объема представляют собой маневры частичного форсированного выдоха. Пунктирная, непрерывная и пунктирная петли, записанные до, во время и после установленной пороговой нагрузки выдоха, соответственно.[Адаптировано из (28). Авторское право © 1999. Американское физиологическое общество. Используется с разрешения.]

Учитывая это, в нашем понимании преобладает следующий сценарий. При приближении к EFL или с самим EFL EELV может повышаться до тех пор, пока EILV не приблизится к TLC, что может увеличить работу дыхания и / или восприятие дыхания (то есть одышку). Как только EELV начинает увеличиваться, V _T часто выходит на плато или снижается по мере увеличения F _b . Если время дыхания (время вдоха, деленное на общее время, T _I / T _до ) сохраняется, увеличение V _E требует увеличения средней скорости выдоха (V _T / T _E ) .Когда приливной поток выдоха приближается или достигает максимального потока выдоха, средний объем легких должен быть увеличен для увеличения среднего потока выдоха (т. Е. Гиперинфляция для использования большей скорости выдоха). Как только EILV приближается к TLC, средний объем легких может быть увеличен только путем увеличения EELV. Следовательно, на высоких уровнях V̇ _E , V _T плато, а затем снижается. В этот момент V̇ _E увеличивается только за счет увеличения F _b (т. Е. Большей скорости потока из-за повышенной активации выдыхательных и инспираторных мышц).Хотя точные механизмы этой реакции неизвестны, похоже, что контроллер дыхания запрограммирован на поддержание нормального времени, если это возможно, и что начало динамического сжатия дыхательных путей или EFL является мощным стимулом для прекращения выдоха и начала следующего вдоха ( 27; 28).

При возрастном снижении максимального потока выдоха и / или снижении максимального потока выдоха из-за хронического ограничения потока воздуха (12) мы обнаружили, что увеличение V̇ _E во время упражнений часто приводит к небольшому снижению EELV, которое вскоре вызывает начало динамического сжатия и / или EFL (2; 3; 6; 10; 13). Как подробно описано выше, как только это происходит, дальнейшее увеличение V̇ _E производится за счет сохранения нормального соотношения между средней скоростью выдоха и вдоха и увеличения EELV. Как указывалось ранее, это контрастирует с увеличением усилия на выдохе для использования максимальных потоков на протяжении всего выдоха, что означает, что полный EFL наблюдается редко, за исключением крайних случаев (6; 11). В то время как величина EFL в некоторой степени влияет на вентиляционную способность, начало динамического сжатия дыхательных путей и даже минимальное EFL влияет на механику дыхания и вентиляционную регуляцию, включая саму вентиляционную мощность (см. Раздел о возможных последствиях с началом EFL – Ventilatory Control) .

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРИ НАЧАЛЕ EFL – ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ

Нормальный респираторный ответ на физическую нагрузку является линейным примерно до 50% от максимальной нагрузки. Помимо этого, V̇ _E становится нелинейным с работой (например, поглощением кислорода, VO ₂ или скоростью работы). В целом, низкая респираторная реакция может указывать на механическое затруднение дыхания. Точно так же избыточная респираторная реакция на физическую нагрузку может указывать на повышенную потребность в вентиляции (т. Е. На увеличение мертвого пространства или неэффективность вентиляции).«Точка перерыва» в респираторной реакции на физическую нагрузку называется порогом вентиляции легких (VTh), хотя механизм VTh остается спорным. Тем не менее, обнаружение VTh помогает отличить субмаксимальную от тяжелых упражнений. Гораздо менее известно, как приближение EFL может изменить респираторную реакцию при нагрузке от покоя к нагрузке (т. Е. Изменение V̇ _E , деленное на изменение выдыхаемого углекислого газа, ΔV̇ _E / ΔV̇CO ₂ ).

Приближение к максимальному потоку выдоха и / или начало динамического сжатия дыхательных путей может повлиять на сам объем вентиляции.Как указано выше, мы обнаружили, что приближение или достижение максимального потока выдоха, по-видимому, влияет на прекращение выдоха и начало следующего вдоха (28). Это было продемонстрировано, когда во время упражнений применялась пороговая нагрузка выдоха, которая уменьшала поток выдоха, уменьшала количество EFL и увеличивала продолжительность выдоха, тем самым уменьшая EELV и немного увеличивая V _T у пациентов с EFL. У пациентов без EELV наблюдалась противоположная реакция EELV.Другие обнаружили аналогичный эффект при добавлении экспираторной нагрузки, такой как дыхание сжатыми губами, которое снижает величину динамического сжатия дыхательных путей во время отдыха и упражнений (30).

В ответ на дыхание через сжатые губы здоровые взрослые люди поддерживают EELV, продлевают выдох, увеличивают V _T и уменьшают F _b . Неизвестно, насколько близка была скорость выдоха приливного выдоха к максимальной у этих взрослых при дыхании через сжатые губы; но пациенты с хроническим ограничением воздушного потока имеют те же ответы, что и на дыхательный порог выдоха, и испытывают меньше симптомов дыхания, предположительно из-за снижения динамической компрессии дыхательных путей и снижения EELV (24). Добавление очень небольшой резистивной нагрузки на выдохе при отсутствии EFL фактически смещает EELV в сторону более высокого объема легких и увеличивает вентиляционную емкость и V̇ _E в покое и во время упражнений (18; 30). Следовательно, это не только изменение сопротивления выдоха, которое отвечает за эти изменения при дыхании через сжатые губы, но, возможно, изменение механики дыхательных путей. Важная концепция здесь заключается в том, что увеличение или уменьшение динамической компрессии дыхательных путей может изменить контроль дыхания, особенно время выдоха и вдоха, что влияет на среднюю скорость потока, V _T и EELV.

Существует также множество примеров, когда респираторная реакция при физической нагрузке может стать фиксированной при приближении к EFL или частично достигнутой даже на небольшую часть V _T , несмотря на добавление внешних химических респираторных стимулов (6; 15; 19; 21) . Мы сообщали об этом у пожилых людей при пиковых нагрузках, когда максимальный V̇ _E не мог быть увеличен при вдыхании двуокиси углерода, CO ₂ (3). Эти добровольцы имели EFL, типичную для пожилых людей, в отличие от молодых людей, ведущих малоподвижный образ жизни, которые могли увеличивать вентиляционную мощность при пиковых нагрузках при вдохе CO ₂ () (2).Был сделан вывод, что при достижении максимального потока выдоха даже минимальный уровень EFL, V̇ _E не может быть увеличен даже при увеличении респираторного влечения (3). Дело не в том, что вентиляционная способность была ограничена, а скорее в начале динамического сжатия дыхательных путей было достаточно, чтобы изменить контроль вентиляции и более или менее исправить респираторную реакцию на физическую нагрузку. В том же исследовании максимальный поток выдоха был увеличен при вдыхании смеси гелиокс (HeO ₂ дыхание), что увеличивало нагрузку V̇ _E , но только до тех пор, пока не был получен тот же уровень EFL.Мы установили такие же результаты у пожилых спортсменов (7) и пациентов с хроническим ограничением воздушного потока (5). В исследовании с участием нормальных здоровых субъектов во время упражнений при 3 атмосфер (ATA), когда максимальный поток выдоха заметно снижается, мы подтвердили, что возникновение EFL увеличивало EELV во время упражнений и уменьшало наклон дыхательной реакции на упражнение так же, как у пациентов с легкими и легкими. пожилые люди (27). Фактически, чтобы получить такой же уровень V̇ _E , измеренный во время учений на уровне моря, скорость работы должна была быть значительно увеличена.

Петли максимального и дыхательного потока, измеренные в состоянии покоя (маленькая сплошная петля) и во время пиковых нагрузок для дыхания воздухом в помещении (жирная сплошная линия), вдыхаемого 3% CO ₂ (A) и вдыхаемой смеси Heliox (HeO ₂ ). ) (В). Объем = общий объем легких. [Адаптировано из (3). Авторские права © 1997. Американское физиологическое общество. Используется с разрешения.]

Таким образом, наше гипербарическое исследование и исследования других авторов (19; 21) подтверждают концепцию, согласно которой приближение к максимальному потоку выдоха, начало динамического сжатия дыхательных путей и / или EFL или приближающееся EFL могут изменить контроль EELV, паттерна дыхания, дыхательной моторной мощности и респираторной реакции на упражнение. Возможно, что начала динамического сжатия дыхательных путей могло быть достаточно, чтобы рефлекторно прекратить выдыхательное усилие (3; 13; 21; 28). Механизм этой проприоцептивной обратной связи при дыхательном контроле неизвестен и не тестировался напрямую. Тем не менее, считалось, что экспериментальная анестезия дыхательных путей во время упражнений может решить эту проблему (20), но еще не было предпринято никаких попыток изучить респираторные реакции с и без EFL, до и после анестезии, включая одновременные измерения петель потока-объема, EELV, V̇. _E , и характер дыхания.

Возможность изменения дыхательного контроля при физической нагрузке EFL согласуется с нашими недавними открытиями, касающимися краткосрочной модуляции респираторной реакции при физической нагрузке (32–34). Кратковременная модуляция респираторной реакции при физической нагрузке определяется как обратимое экспериментальное усиление респираторной реакции при физической нагрузке с добавлением внешнего мертвого пространства, которое было предложено в качестве общего механизма, связывающего респираторную реакцию при физической нагрузке с вентиляцией в покое (14). Хотя текущее понимание дыхательного контроля гиперпноэ при физической нагрузке остается неясным, потенциал стратегий адаптивного контроля, таких как кратковременная модуляция регуляции дыхания во время упражнений, стал более ясным (14; 23).

В случае EFL или начала динамического сжатия дыхательных путей потенциально возможно, что нервная система, контролирующая дыхание, модулируется (т.е. нейрохимически вызванное изменение клеточных свойств или синаптической силы, которая регулирует функцию нейронной сети) и как только стимул для модуляции удален (т.е., EFL или динамическое сжатие дыхательных путей), функциональные изменения в нервной системе быстро меняются, восстанавливая нормальную вентиляционную функцию (14). Этот процесс похож на наши выводы о влиянии пороговой нагрузки выдоха, когда реакция EELV зависит от наличия или отсутствия EFL. В экспериментальном примере кратковременной модуляции респираторная реакция при физической нагрузке увеличивается, но модуляция респираторной реакции при физической нагрузке может иметь отношение к снижению респираторной реакции из-за нейронных изменений, которые быстро исчезают после снятия ограничений потока выдоха. Об изменениях респираторной реакции на физическую нагрузку или на вдох CO ₂ из-за резистивной нагрузки или наложенных механических ограничений сообщалось и другими исследователями (15; 29). Однако механизм этих изменений неизвестен, но может быть связан с механическим усилием вентиляции или работой дыхания или динамическим сжатием дыхательных путей, которое так часто сопровождает эти ситуации или эксперименты с наложенными вентиляционными ограничениями. Необходимы дальнейшие проспективные исследования для изучения механизмов модуляции вентиляции человека и того, могут ли пожилые и / или больные люди использовать эту стратегию в качестве средства, с помощью которого респираторная реакция на физическую нагрузку не превышает вентиляционную способность.

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ НАБЫТИЯ EFL – DYSPNEA

Было высказано предположение, что начало динамического сжатия дыхательных путей также связано с одышкой при физической нагрузке. Когда ограничение воздушного потока было наложено повышением давления окружающей среды (т. Е. В гипербарических условиях), нормальные здоровые люди испытывали тяжелую удушающую одышку во время упражнений (35). В этом эксперименте начало динамического сжатия определялось путем измерения кривых IVPF на уровне моря и при 4 и 10 ATA.С увеличением атмосферного давления наклон кривых ЭКО значительно уменьшился, как и максимальный поток выдоха. В начале динамического сжатия дыхательных путей и / или надпочечников испытуемые жаловались на ощущение удушья. Авторы предположили, что динамическое сжатие дыхательных путей является вероятным механизмом одышки, однако последующая непереносимость физических упражнений также могла быть связана с ограничением вентиляции (35). Вопрос о том, как динамическое сжатие дыхательных путей стимулирует одышку, не рассматривался.

Механически подобный подход был использован для исследования этого механизма путем увеличения величины сжатия ниже сегмента ограничения потока с помощью выдоха (т. Е. Создания пропорционального потоку отрицательного давления во рту). Когда давление во рту стало более отрицательным, пациенты с тяжелой хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ) в состоянии покоя жаловались на усиление ощущения дыхания и изменение характера дыхания с усилением компрессии дыхательных путей (25). Авторы предположили, что начало или усиление динамической компрессии изменяет дыхательный контроль, возможно, из-за активности механорецепторов верхних дыхательных путей.Это неприятное респираторное ощущение может быть связано с механорецепторами верхних дыхательных путей, которые могут изменять контроль дыхания и способствовать одышке (25).

Противоположный подход был предпринят для уменьшения степени сжатия дыхательных путей ниже сегмента ограничения потока с постоянным положительным давлением в дыхательных путях во время субмаксимальной нагрузки у контрольных субъектов и пациентов с ХОБЛ (26). Этот экспериментальный подход теоретически аналогичен дыханию через сжатые губы. Однако применение положительного давления во время выдоха приводило только к непоследовательным и незначительным изменениям ощущения дыхания у пациентов. Снижение чувствительности могло зависеть от того, приближались ли пациенты к максимальному потоку выдоха или имели ли они значительный EFL до приложения положительного давления. К сожалению, респираторная механика в этом исследовании не измерялась. Это могло быть причиной того, что у некоторых пациентов было снижение усилия, в то время как у других было увеличение усилия, подобное тому, которое наблюдалось у нормальных контрольных субъектов, которые предположительно не приближались к EFL. Таким образом, ограничением исследования было то, что давление в пищеводе и петли потока-объема не измерялись для определения уровня EFL перед приложением экспираторной нагрузки во время упражнений.Однако это новое и инновационное исследование подтверждает нашу гипотезу и оставляет нам возможность, что динамическое сжатие дыхательных путей может играть роль в одышке при физической нагрузке наряду с другими механическими ограничениями дыхания.

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ НАЧАЛА EFL – НЕТЕРПИМОСТЬ ТРЕНИРОВКИ

В крайних случаях EFL, таких как заболевание легких на выдохе или повышенное давление окружающей среды, сильная связь между EFL, ограничением дыхания и непереносимостью физических упражнений. В легких случаях EFL трудно показать, исчерпана ли вентиляционная способность или действительно ли физическая нагрузка ограничена (6; 13).Для тех, кто регулярно измеряет механику дыхания во время тестирования с физической нагрузкой у здоровых взрослых и / или клинических пациентов, легко задокументировать, когда и как механические вентиляционные ограничения и ограничения возникают во время упражнений. Кроме того, многие пациенты могут также испытывать необъяснимую одышку при физической нагрузке, которая значительно не соответствует измерениям сердечно-легочной функции в состоянии покоя. У большинства, если не у всех этих пациентов будут признаки надвигающегося EFL, гиперинфляции и / или, возможно, изменения времени дыхания.Однако вентиляционная способность почти всегда будет больше, чем потребность в вентиляции, исходя из анализа данных контура потока-объема (т.е., как объяснено выше, по мере увеличения EELV увеличивается и вентиляционная способность). Более того, EFL обычно неполный, достигая примерно 0–50% от V _T , и респираторная реакция при физической нагрузке может быть нормальной или измененной. В этих случаях по-прежнему очень сложно определить, действительно ли толерантность к физической нагрузке ограничена вентиляцией, по крайней мере, на основе общепринятого мнения.Однако, если иметь в виду концепции, касающиеся важности достижения максимального потока выдоха, как указано в этом обзоре, в отличие от концепции абсолютного и полного EFL, можно предложить более реалистичные интерпретации вентиляционного ограничения. В, мы показываем схематические петли объема потока выдоха, наложенные на петлю максимального объема потока от. На рисунке начало сжатия дыхательных путей показано заштрихованной областью. Как только приливно-выдыхаемый поток достигает этой области (например, приливной петли A), могут наблюдаться изменения в механике дыхания, вентиляции и, возможно, одышка при физической нагрузке и непереносимость физических упражнений.Обратите внимание, что вентиляционная способность не является проблемой в петле A, в отличие от петли B, где есть ограничения, но теоретически вентиляционная способность все же больше. Однако даже в петле А эффекты ограничения потока уже сказываются на дыхательной реакции на упражнения и механику дыхания.

Максимальный и тренировочный цикл дыхательного объема. Заштрихованная область обозначает скорость потока, при которой происходит начало динамического сжатия дыхательных путей. В левой дыхательной петле A поток выдоха влияет на динамическое сжатие дыхательных путей, а в правой петле B поток выдоха влияет на максимальный поток выдоха (т.e., определяемый как ограничение потока выдоха, EFL), демонстрирующий общепринятый взгляд на ограничение вентиляции.

РЕЗЮМЕ

Принимая во внимание все индивидуальные и пациенты примеры механических вентиляционных ограничений и ограничений для упражнений, становится ясно, что эффекты EFL не являются однозначными и чрезвычайно важны с физиологической и клинической точек зрения. Приближение к EFL может повлиять не только на вентиляционную способность, но и на механику дыхания, контроль дыхания и, возможно, одышку при физической нагрузке и непереносимость физических упражнений. Однако простое сравнение контуров дыхательного потока-объема при упражнении с контуром максимального потока-объема, измеренного во рту, для определения величины EFL, не дает полного представления. Приближение к EFL может вызвать множество изменений дыхательной реакции при физической нагрузке, и все эти изменения могут сыграть важную роль в провоцировании ограничения дыхания и, возможно, в ограничении дыхания и непереносимости упражнений. Признание влияния приближения к максимальному потоку выдоха важно для правильного понимания вентиляционных ограничений во время упражнений и их потенциала для наложения ограничений на упражнения.

Сноски

Автор сообщения об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

947-112 Имеет ли инотропный эффект антиаритмического препарата III класса амиодарон частотную зависимость In Vivo?

Продление продолжительности потенциала действия (APD) антиаритмическими препаратами класса III вызывает in vitro положительный инотропный эффект. С другой стороны, была описана частотная зависимость продления APD («обратная зависимость от использования»). Это означало бы, что снижение частоты сердечных сокращений должно положительно сказаться на сократимости миокарда после приема препаратов III класса.

Мы исследовали гемодинамические эффекты амиодарона (10 мг / кг, 20 мг / кг внутривенно) у торакотомизированных крыс по сравнению с контрольным физиологическим раствором (NaCl) без брадикардии и с ней. Уменьшение частоты сердечных сокращений было вызвано стимуляцией блуждающего нерва (снижение примерно на 50%). Помимо измерений в интактной циркуляции, регистрацию изоволюмических максимумов (изовол. LVSP, изовол. Dp / dt _max ) проводили для определения сократимости миокарда.

Средние значения ± SEM в% от значений до инфузии,

Заключение

Увеличение продолжительности потенциала действия Антиаритмический препарат III класса амиодарон не вызывает in vivo положительного инотропного эффекта, поскольку кардиодепрессивное действие препарата (например,грамм. блокада натриевых и кальциевых каналов) сильнее. Обратная зависимость инотропизма этого препарата от применения in vivo не обнаруживается.

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Copyright © 1995 American College of Cardiology. Опубликовано Elsevier Inc. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Сердечный цикл

Сердечный цикл представляет собой гемодинамические и электрические изменения, которые происходят в систолу и диастолу. У него много фаз.

Фазы сердечного цикла

1. Изометрическое сокращение желудочков (a-b): Эта фаза знаменует начало систолы и начинается с появления комплекса QRS на ЭКГ и закрытия AV-клапанов в точке (a).Когда все клапаны закрыты, желудочек создает положительное давление без какого-либо изменения его объема (изоволюметрический), чтобы преодолеть сопротивление полулунных клапанов, открывающихся в точке (b). Эта фаза обычно длится 6% сердечного цикла.
2. Быстрый выброс (b-c): Когда полулунные клапаны открываются в точке (b), происходит быстрый выброс крови из-за повышенной сократимости желудочков. Артериальное давление увеличивается до максимума в точке (c). Эта фаза обычно длится 13% сердечного цикла.
3. Уменьшение выброса (c-d): Эта фаза знаменует начало реполяризации желудочков, о чем свидетельствует начало зубца Т на ЭКГ. Реполяризация приводит к быстрому снижению желудочкового давления и, следовательно, к снижению скорости выброса. Однако некоторый прямой ток крови продолжает оставаться вторичным по отношению к остаточной кинетической энергии от предыдущей фазы. Эта фаза обычно длится 15% сердечного цикла.
4. Изоволюметрическая релаксация (d-e): Когда давление в желудочках падает ниже диастолического аортального и легочного давления (80 мм рт. Ст. И 10 мм рт. Ст. Соответственно), аортальный и легочный клапаны закрываются, производя второй тон сердца (точка d).Это знаменует начало диастолы. Желудочки создают отрицательное давление без изменения своего объема (изоволюметрического), так что давление в желудочках становится ниже, чем давление в предсердиях. Эта фаза обычно длится 8% сердечного цикла.
5. Наполнение желудочков (e-a): Когда клапаны AV открываются в точке (e), начинается наполнение желудочков. Первоначальное быстрое наполнение в основном усиливается всасыванием желудочков, которое происходит в результате раскручивания желудочков и возвращения каждого мышечного волокна желудочка к его длине провисания.Давление в желудочке постепенно увеличивается, пока не сравняется с давлением в предсердиях, и клапаны AV закрываются (точка а). Эта фаза обычно длится 44% сердечного цикла.
6. Сокращение предсердий: Наконец, ближе к концу желудочковой диастолы сокращение предсердий составляет около 10% объема наполнения желудочков. Это представлено зубцом P на ЭКГ следующего цикла. Эта фаза обычно длится 14% сердечного цикла.

Тоны сердца

Нормальное давление в различных камерах сердца

Первый тон сердца (S1) представляет закрытие атриовентрикулярных (митрального и трикуспидального) клапанов, поскольку давление в желудочках превышает давление в предсердиях в начале систолы (точка а).S1 обычно представляет собой одиночный звук, потому что закрытие митрального и трикуспидального клапанов происходит почти одновременно. Клинически S1 соответствует пульсу.

Второй тон сердца (S2) представляет закрытие полулунных (аортального и легочного) клапанов (точка d). S2 обычно расщепляется, потому что аортальный клапан (A2) закрывается раньше легочного клапана (P2). Давление закрытия (диастолическое артериальное давление) слева составляет 80 мм рт. Ст. По сравнению с только 10 мм рт. Ст. Справа. Это более высокое давление закрытия приводит к более раннему закрытию аортального клапана.Кроме того, более мускулистый и жесткий «менее податливый» левый желудочек (ЛЖ) опорожняется раньше, чем правый желудочек. Венозный возврат в правый желудочек (ПЖ) увеличивается во время вдоха из-за отрицательного внутригрудного давления, а P2 задерживается еще больше, поэтому расщепление второго тона сердца на вдохе является нормальным, а на выдохе сужается. Клинически это более заметно при низкой частоте сердечных сокращений.

Третий тон сердца (S3) представляет собой переход от быстрого к медленному наполнению желудочков в ранней диастоле. S3 может быть слышен у нормальных детей.

Четвертый тон сердца (S4) – это аномальный поздний диастолический звук, вызванный насильственным сокращением предсердий на фоне пониженной податливости желудочков.

Аномально широкое разделение S2 может произойти в:

a) Перегрузка правого желудочка, такая как дефект межпредсердной перегородки (ДМПП) и аномальное соединение легочных вен. В этих случаях разделение обычно широкое и «фиксированное» без разницы между вдохом и выдохом из-за фиксированного объема правого желудочка (см. Раздел ASD)

b) Обструкция оттока правого желудочка, такая как стеноз легочной артерии (PS)

c) Отсроченная деполяризация правого желудочка, такая как полная блокада правой ножки пучка Гиса

Узкое разделение S2 происходит в:

a) Легочная гипертензия, поскольку легочный клапан закрывается раньше из-за высокого легочного сопротивления

b) Стеноз аорты легкой или средней степени тяжести из-за задержки A2

Возможен одиночный S2:

a) Если один из полулунных клапанов отсутствует, как при атрезии легочного или аортального клапана и артериального ствола

b) Если оба клапана закрываются одновременно, как при легочной гипертензии с одинаковым давлением в легочной и аортальной артериях

c) Если оба клапана закрываются одновременно, как в случае одиночного желудочка с двойным выпуском или в большом VSD с одинаковым давлением в желудочках

d) Заднее смещение клапана легочной артерии от грудной стенки, как в d-TGA

Парадоксальное разделение S2 (P2 слышится до A2) происходит в:

a) Стеноз аорты тяжелой степени

б) Блокада левой ножки пучка Гиса

В обоих случаях аортальный клапан (A2) закрывается после легочного клапана (P2). Поскольку дыхание влияет только на P2, его эффект при парадоксальном расщеплении противоположен нормальному, то есть вдох вызывает узкое расщепление, а выдох вызывает широкое расщепление S2.

Шумы в сердце

Шумы – это дополнительные звуки, создаваемые турбулентным кровотоком в сердце и кровеносных сосудах. Шумы могут быть систолическими, диастолическими или непрерывными.

Градация систолических женщин в зависимости от их интенсивности

• I / VI: Едва слышно
• II / VI: Слабый, но легко слышимый
• III / VI: Громкий ропот без ощутимого трепета
• IV / VI: Громкий ропот с ощутимым трепетом
• V / VI: Очень громкий шум слышен с легкого стетоскопа в груди
• VI / VI: Очень громкий шум, который можно услышать без стетоскопа

Систолические шумы являются наиболее распространенными типами шумов у детей, и в зависимости от времени их появления в систолу они классифицируются на:

a) Шумы систолического выброса (SEM, crescendo-decrescendo) возникают в результате турбулентного кровотока из-за обструкции (фактической или относительной) через полулунные клапаны, пути оттока или артерии. Шум слышен вскоре после S1 (пульса). Интенсивность шума увеличивается по мере того, как больше крови течет через препятствие, а затем уменьшается (крещендо-декрещендо или ромбовидная форма). Невинные шумы – наиболее частая причина SEM (см. Ниже). Другие причины включают стенотические поражения (стеноз аорты и легочной артерии, коарктация аорты, тетралогия Фалло (TOF)) или относительный стеноз легочной артерии из-за повышенного кровотока из ASD

Crescendo decrescendo murmur

б) Голосистолические (регургитирующие) шумы начинаются в начале S1 (пульс) и продолжаются до S2.Примеры: дефект межжелудочковой перегородки (VSD), регургитация митрального и трехстворчатого клапанов.

Голосистолический шум

c) Систолический шум Decrescendo – это подтип голосистолического шума, который может быть слышен у пациентов с небольшими ДМЖП. Во второй половине систолы небольшой ДМЖП может закрываться или становиться настолько маленьким, что не позволяет различить кровоток, и шум больше не слышен.

Decrescendo murmur

Диастолические шумы обычно ненормальны и могут быть ранними, средними или поздними диастолическими.

Дополнительная информация: Примеры невинного ропота

• Ранние диастолические шумы сразу следуют за S2. Примеры: аортальная и легочная регургитация.
• Среддиастолические шумы (гул) возникают из-за повышенного кровотока (относительного стеноза) через митральный (ДМЖП) или трикуспидальный клапаны (ДМПП).
• Поздний диастолический шум вызван патологическим сужением атриовентрикулярных (АВ) клапанов.Пример: ревматический митральный стеноз. Стеноз трехстворчатого клапана у детей встречается очень редко.

Непрерывные шумы слышны как во время систолы, так и во время диастолы. Они возникают, когда существует постоянный шунт между кровеносным сосудом высокого и низкого давления. Примеры: открытый артериальный проток (ОАП) и системные артериовенозные свищи. Это также может произойти в хирургически установленных шунтах, таких как шунт Блэлока-Таууссига (BT) между аортой и легочной артерией.

Невинный шум часто встречается у детей и имеет следующие характеристики:

• Степень III или ниже по интенсивности
• В остальном нормальное кардиологическое обследование и нормальные тоны сердца
• Нет ассоциированных сердечных симптомов
• Изменение интенсивности в зависимости от положения тела (например,грамм. громче в положении лежа на спине)

Сводка сердечных шумов

Таблица, показывающая общие шумы в сердце, слышимые в разном возрасте
Сразу после рождения	ОАП или обструктивные поражения *
Вскоре после рождения (от нескольких часов до нескольких недель)	VSD, PDA, PPS (периферический стеноз легкого)
1-4 года	Невинный ропот, ASD
Подросток	Невинный ропот, HOCM или MVP / MR
* Обструктивные поражения включают AS, PS, коарктацию аорты, TOF и т. Д.

покрытий | Бесплатный полнотекстовый | Анализ теплообменных характеристик теплообменника на основе решетчатого наполнения

В настоящее время решетчатые конструкции в основном используются для облегчения конструкции, и исследования принудительной теплопередачи с ее использованием в качестве структуры заполнения все еще находятся в зачаточном состоянии.Отсутствуют теоретические и технические системы, подходящие для выбора структуры решетки и оценки эффективности теплопередачи, а также механизмов тепломассопереноса в потоке при многополевой связи. По-прежнему необходимы глубокие исследования макроскопических характеристик и характеристик теплопередачи решетчатых структур. В этой статье выбирается внутренняя структура заполнения теплообменника с учетом аспектов конструкции модели, несущей способности и характеристик теплопередачи.Многопоточная модель используется для расчета динамического процесса теплопередачи жидкого кислорода в теплообменниках с различной структурой проточных каналов, а также раскрывается внутренний механизм использования решетчатой ​​структуры для повышения эффективности теплопередачи.

Расчетное гидродинамическое моделирование характеристик суспензии твердое тело-жидкость в резервуаре с мешалкой с пакетными рабочими колесами с перфорацией

Изучены характеристики твердо-жидкой суспензии в резервуаре с мешалкой с четырьмя наклонными лопастями, крыльчатками с круглым корпусом и крыльчатками с перфорированным корпусом. с помощью моделирования вычислительной гидродинамики (CFD).Классический подход Эйлера-Эйлера в сочетании со стандартной моделью турбулентности k – ε был принят для моделирования двухфазного турбулентного потока твердое тело-жидкость. Было исследовано влияние скорости рабочего колеса, потребляемой мощности, типа рабочего колеса, размера / соотношения отверстий, диаметра твердых частиц и вязкости жидкости на качество суспензии твердых частиц. Результаты показали, что качество суспензии твердых частиц улучшилось с увеличением скорости вращения крыльчатки. Рабочее колесо с перфорированным круглым корпусом может снизить скорость вращения подвески и повысить уровень однородности процесса перемешивания твердой и жидкой фаз на основе крыльчатки с четырьмя наклонными лопастями и крыльчатки с круглым корпусом.Оптимальные относительное отверстие и диаметр отверстия составляли 11,8% и 8 мм соответственно для процесса суспендирования твердых частиц в этой работе. Меньший диаметр частиц приводит к меньшей скорости осаждения и более высокому качеству суспензии твердых частиц. Более вязкая жидкость легче удерживала твердые частицы во взвешенном состоянии. Между тем, крыльчатка с перфорированным корпусом может снизить энергопотребление по сравнению с крыльчаткой с четырьмя наклонными лопастями и крыльчаткой в ​​корпусе с круглым корпусом при той же скорости крыльчатки и повысить интегральную скорость твердого тела, турбулентную кинетическую энергию и скорость рассеяния турбулентной кинетической энергии при перемешивании твердой и жидкой фаз. система при том же энергопотреблении.

1 Введение

Примеры суспензии твердое и жидкое в резервуаре с мешалкой обычно встречаются в процессах минерализации, кристаллизации, полимеризации, осаждения, каталитических реакций, обработки пищевых продуктов и обработки воды (Ibrahim et al. 2015; Montante et al. 2001 ; Пинелли, Монтанте и Магелли, 2004; Ван и др., 2017). Такие процессы обычно требуют высокоэффективного контакта между твердой и жидкой фазами и гарантируют, что система твердое тело-жидкость является однородной или твердые частицы равномерно распределены по резервуару с мешалкой.Скорость суспендирования твердых частиц важна для скорости химической реакции или скорости массопереноса, которые могут существенно повлиять на качество и выход продукта (Кленов и Носков, 2011; Кумаресан и Джоши, 2006; Мичелетти и др., 2003).

Характеристики двухфазного перемешивания твердой и жидкой фаз в резервуаре с мешалкой были подробно изучены в литературе (Chen et al. 2011; Kasat et al. 2008; Khopkar et al. 2016). Для повышения скорости взвеси твердых частиц обычная операция заключается в увеличении откачивающей способности крыльчатки за счет увеличения скорости перемешивания крыльчатки.Однако для достижения приемлемой степени гомогенности для системы смешивания твердой и жидкой фаз требуется большое потребление энергии. В целом характеристики твердо-жидкой суспензии в значительной степени определяются типом и конструкцией крыльчатки. Улучшения в конструкции рабочего колеса рассматривались как средство улучшения качества суспензии твердых частиц или повышения эффективности смешивания твердой и жидкой фаз. Существует множество отчетов об исследованиях, в которых исследуется влияние конструкции и работы крыльчатки на улучшение характеристик смешивания твердой и жидкой фаз в резервуаре с мешалкой.Xu et al. (2013) применили логарифмическую геликоидальную крыльчатку в процессе суспендирования твердой и жидкой фаз и обнаружили, что логарифмическая геликоидальная крыльчатка может улучшить качество твердой и жидкой суспензии по сравнению с крыльчаткой дисковой турбины Раштона при том же энергопотреблении. Лю и др. (2013) предложили жестко-гибкую комбинированную крыльчатку и применили ее в процессе смешивания самоплавающих частиц и обнаружили, что жестко-гибкая комбинированная крыльчатка может улучшить степень однородности самоплавающих частиц в жидкой фазе по сравнению с жесткой крыльчаткой под давлением. постоянное энергопотребление.Лю и др. (2018) изучили характеристики суспензии твердых частиц в коаксиальных смесителях и обнаружили, что коаксиальные смесители с внутренним рабочим колесом с подкачивающим насосом и шестью крыльчатками турбины с наклонными лопатками 45 ° имели очевидное превосходство по сравнению с комбинацией якоря и турбины Раштона с точки зрения потребляемая мощность. Чжао, Цюань и Лян (2007) применили перфорированную крыльчатку в процессе смешивания фосфорита и воды и обнаружили, что перфорированная крыльчатка может повысить степень суспендирования твердых частиц по сравнению с традиционной крыльчаткой.Gu et al. (2017a) изучили гидродинамику процесса суспендирования твердой и жидкой фазы в резервуаре с мешалкой с перфорированными жестко-гибкими рабочими колесами и обнаружили, что штампованное жестко-гибкое рабочее колесо может улучшить качество суспензии твердых частиц по сравнению с жестким рабочим колесом и жестко-гибким рабочим колесом на такое же энергопотребление. Согласно обзору литературы, процесс суспендирования твердых частиц заключался в том, что твердые частицы получали энергию от вихрей в поле потока и преодолевали свою собственную гравитацию и сопротивление жидкости подниматься вверх.Следовательно, для дальнейшего улучшения качества суспензии твердых частиц необходимо увеличить откачивающую способность рабочего колеса и интенсифицировать процесс локального рассеивания энергии поля потока при условии обеспечения достаточной основной конвекции. Основываясь на наших предыдущих исследованиях (Gu et al., 2017a, 2017b), в данной работе предлагается тип рабочего колеса с перфорированным кругом для улучшения однородности двухфазной системы твердое тело-жидкость.

Как эффективный и мощный метод вычислительная гидродинамика (CFD) моделирование все чаще используется для прогнозирования гидродинамических характеристик двухфазных потоков твердое тело-жидкость (Tamburini et al.2011, 2012). Значительные результаты моделирования могут быть получены и использованы для надежного проектирования и точного контроля рабочих параметров смешивания твердой и жидкой фаз. Что касается резервуара с мешалкой твердое тело-жидкость, распределение объемной доли твердых частиц, турбулентные характеристики твердого вещества и жидкости, распределение скорости твердых частиц и т. Д. Являются фундаментальными концепциями и параметрами для исследования гидродинамики двухфазного твердого вещества и жидкости. Tamburini et al. (2013) смоделировали поток плотных твердых и жидких частичных суспензий в резервуаре с перегородками и мешалкой при различных скоростях перемешивания с помощью модели Эйлера-Эйлера в сочетании со стандартной моделью турбулентности k – ε .Мишра и Эйн-Мозаффари 2017 использовали CFD-моделирование для исследования скорости перемешивания, концентрации твердых частиц, диаметра твердых частиц, удельного веса твердых частиц и использования перегородок для оценки эффективности перемешивания крыльчатки Maxblend с точки зрения однородности твердых частиц. распределение. Лю и др. (2019) исследовали влияние скорости перемешивания, режима вращения коаксиального смесителя, свойств твердой фазы на распределение скорости твердых частиц, распределение объемной доли твердых частиц и скорость взвешивания на основе модели Эйлера-Эйлера и модифицированной модели сопротивления Brucato.Wadnerkar et al. (2012) использовали CFD-моделирование для исследования влияния скорости рабочего колеса и начальной нагрузки твердого тела на только скорость подвески, турбулентную кинетическую энергию и высоту облака на основе модели Эйлера-Эйлера и стандартной турбулентности k – ε . модель. Hosseini et al. (2010) исследовали влияние типа рабочего колеса, зазора рабочего колеса от днища, скорости рабочего колеса, размера твердых частиц и удельного веса твердых частиц на качество твердо-жидкой суспензии с помощью моделирования CFD.Из приведенного выше обзора литературы можно увидеть, что моделирование CFD является удовлетворительным инструментом для проведения оптимизации конфигурации рабочего колеса и точного управления рабочими параметрами перемешивания твердой и жидкой фаз.

В этой работе основной целью было изучить и проанализировать характеристики перемешивания крыльчатки с перфорированным корпусом для процесса суспендирования твердой и жидкой фаз в резервуаре с мешалкой с использованием моделирования CFD. Были сравнительно исследованы характеристики суспензии твердых частиц в резервуаре с мешалкой с четырьмя крыльчатками с наклонными лопастями, крыльчатками с круглым корпусом и крыльчатками с перфорированным корпусом.Профиль осевой концентрации твердого вещества, распределение концентрации твердого вещества, высота облака, высота твердого осадка, только скорость взвешивания, интегральная скорость твердого тела, турбулентная кинетическая энергия и скорость диссипации турбулентной кинетической энергии в резервуаре с мешалкой были спрогнозированы для оценки эффективности и действенности трех различных рабочие колеса (рабочее колесо с четырьмя наклонными лопастями, рабочее колесо с круглым корпусом и рабочее колесо с перфорацией). Было исследовано влияние скорости рабочего колеса, потребляемой мощности, типа рабочего колеса, размера / соотношения отверстий, диаметра твердых частиц и вязкости жидкости на качество суспензии твердых частиц.

2 Физическая система

Схематическая диаграмма резервуара для перемешивания твердой и жидкой фаз показана на рисунке 1. Характеристики суспензии твердых частиц в прозрачном цилиндрическом резервуаре с плоским дном и внутренним диаметром T = 0,48 м были спрогнозированы с помощью CFD. моделирование. Четыре равномерно расположенных вертикальных перегородки шириной W = 0,048 м ( T /10) были установлены симметрично. Высота ( H ) жидкости от дна резервуара поддерживалась равной 0.8 мес. Схемы рабочего колеса с четырьмя наклонными лопастями, рабочего колеса с круглым корпусом и рабочего колеса с перфорированным кругом показаны на рис. 2. Рабочее колесо с круглым корпусом имеет круглую часть пакета шириной 0,04 м и толщиной 0,002 м вокруг вершины четырех лопаток. рабочее колесо с наклонными лопастями. Рабочее колесо перфорированного пакета имеет несколько дополнительных отверстий на поверхности лопатки рабочего колеса и деталь круга пакета на основе рабочего колеса пакета круглого сечения. Зазор рабочего колеса от днища был установлен на T /3, а расстояние между верхним и нижним рабочим колесом было установлено на T 5/6.Датчик крутящего момента (компания DaYang, модель: HX-90D) использовался для измерения потребляемой мощности крыльчатки. Дисперсия частиц стеклянных шариков плотностью ρ _s = 2470 кг / м ³ в водопроводной воде ( ρ _л = 1000 кг / м ³ , µ = 0,001 Па · с) при комнатной температуре.

Рисунок 1:

Схема резервуара с мешалкой.

Рисунок 2:

Структурная схема рабочих колес.

(a) Рабочее колесо с четырьмя скошенными лопастями,

(b) Рабочее колесо с круглым корпусом,

(c) Рабочее колесо с перфорированным кольцом.

3 Математические модели

3.1 Уравнения модели

Гидродинамическое моделирование проводилось с использованием многофазной модели Эйлера-Эйлера. В этой модели каждая фаза рассматривается как взаимопроникающий континуум, представленный объемной долей в каждой точке системы. Для каждой фазы решаются усредненные по Рейнольдсу уравнения баланса массы и количества движения.Основные уравнения следующие:

Уравнение непрерывности (Ljungqvist and Rasmuson 2001; Wadnerkar et al.2012, 2016):

(1) ∂ (αiρi) ∂t + ∇ (αiρiUi →) = 0

Уравнение момента (Ljungqvist). and Rasmuson 2001; Wadnerkar et al.2012, 2016):

(2) ∂ (αiρiUi →) ∂t + ∇ (αiρiUi → Ui →) = – αi∇p + ∇τi = + αiρig → + Rij → + Fi →

, где i – l или s для жидкой фазы или твердой фазы, соответственно, ρ – плотность, U → – вектор скорости, P – давление и используется обеими фазами, τ = – тензор напряжения-деформации из-за флуктуаций вязкости и скорости, g → – ускорение свободного падения, Rij → – сила взаимодействия между фазой i и фазой j , Fi → – влияние внешней силы, силы турбулентной дисперсии , виртуальная массовая сила и подъемная сила и т. д. α – объемная доля, и она удовлетворяет:

(3) ∑i = l, sαi = 1

Тензор напряжения-деформации обусловлен вязкостью и напряжениями Рейнольдса, которые включают влияние турбулентных флуктуаций. Используя гипотезу вихревой вязкости Буссинеска, замыкание может быть дано вышеупомянутому уравнению передачи импульса. Уравнение можно представить в виде (Ljungqvist and Rasmuson 2001; Wadnerkar et al.2012, 2016):

(4) τi == αiμi (∇Ui → + ∇Ui → T) + αi (λi − 23μi) ∇Ui → I =

, где μ – вязкость сдвига, λ – объемная вязкость, а I = – тензор единичных напряжений.

3.2 Уравнения турбулентности

Чтобы заключить уравнение количества движения, общее решение состоит в том, чтобы получить напряжение Рейнольдса путем вычисления турбулентной кинетической энергии ( k ) и скорости турбулентной диссипации ( ε ). Для моделирования потоков в резервуаре с мешалкой была принята стандартная модель турбулентности смеси k – ε , а основные уравнения записываются как (Ljungqvist and Rasmuson 2001; Wadnerkar et al.2016):

(5) ∂t ( ρmk) + ∇ (ρmUm → k) = ∇ [(μm + μt, mσk) ∇k] + Gk, m − ρmε

(6) ∂∂t (ρmε) + ∇ (ρmUm → ε) = ∇ [( мкм + μt, мσε) ∇ε] + εk (C1εGk, m − C2ερmε)

где ρ _м , μ _м и μ _{t, м} – плотность, молекулярная вязкость и турбулентная вязкость смеси соответственно, и их можно рассчитать по формуле:

(7) ρm = ∑i = l, sαiρi

(8) μm = ∑i = l, sαiμi

( 9) U → m = ∑i = l, sαiρiUi → ∑i = l, sαiρi

(10) μt, m = ρmCμk2ε

(11) Gk, m = μt, m [∇Um → + (∇Um → ) T]: ∇Um →

, где C _{ε 1} , C _{ε 2} , C _μ , σ _{900 66 k} и σ _ε – параметры в стандартной модели k – ε , значения параметров выбираются следующим образом (Kasat et al.2008; Wadnerkar et al. 2012): C _{ε 1} = 1,45, C _{ε 2} = 1,9, C _μ = 0,09, σ _k = 1,0, и σ _ε = 1,3.

3.3 Сила межфазного сопротивления

Межфазное сопротивление – это результирующая сила, испытываемая частицей в направлении относительного движения за счет движущейся жидкости. В системе твердое тело-жидкость многие межфазные силы (т.например, сила сопротивления, подъемная сила, сила Бассета, сила виртуальной массы) могут играть важную роль в моделировании поля многофазного потока. Согласно обзору литературы, сила сопротивления была наиболее доминирующей, когда ? _s /? _l > 2, а другими силами можно пренебречь (Ljungqvist and Rasmuson 2001; Nurtono et al. 2009) . Поэтому в данной работе учитывалась только сила сопротивления.

(12) Fdrag = 34CDdpαsρl | Us → −Ul → | (Us → −Ul →)

, где C _D – коэффициент сопротивления, а d _p – частица диаметр.Учитывая низкую концентрацию твердых веществ в воке, значение C _D можно получить из поправки Вен-Ю (Ljungqvist and Rasmuson 2001; Wen and Yu 1996):

(13) CD = 24αlRe [1 +0,15 (αlRe) 0,687]

(14) Re = ρldpμl | Us → −Ul → |

3.4 Числовые детали

Метод множественной системы отсчета (MRF) был выбран для моделирования вращения рабочих колес. Область решения была разделена на две части, как показано на рисунках 3 и 4. Внутренняя вращающаяся зона была создана с размерами r = 0.12 м и 0,13 м < z <0,59 м (где z – осевое расстояние от дна резервуара с мешалкой), а внешняя часть представляла собой невращающуюся область. Внутренняя вращающаяся зона была дискретизирована тетраэдрическими ячейками (неструктурированная сетка) из-за сложной геометрии, а внешняя область была дискретизирована шестигранными ячейками (структурная сетка) (Hosseini et al. 2010). Оптимальный размер сетки был получен путем уменьшения размера до конечного значения, ниже которого изменения в профилях скорости и концентрации твердого вещества были менее 3%.Количество ячеек, используемых для резервуара с мешалкой с четырьмя наклонными лопастями, резервуара с мешалкой с круговым рабочим колесом и резервуара с мешалкой с перфорированным колесом, составляло 16,37,394, 16,03,118 и 25,00815, соответственно. Алгоритм SIMPLEC использовался для решения зависимости давления от скорости, и была выбрана стандартная функция стенки с условием отсутствия скольжения и сдвига. Чтобы уменьшить влияние ложной диффузии и повысить точность результатов моделирования, была принята схема высокого порядка против ветра. Относительная невязка была установлена ​​на уровне 10 ⁻⁵ , что считается индексом сходимости.Шаг по времени, использованный при моделировании, составлял 0,005 с, а общее время моделирования составляло 50 с. Численное решение переходного состояния системы было получено с помощью коммерческого аналитического программного обеспечения ANSYS FLUENT 14.5 (компания ANSYS, США).

Рисунок 3:

Внутренний вращающийся домен.

(a) Рабочее колесо с четырьмя скошенными лопастями,

(b) Рабочее колесо с круглым корпусом,

(c) Рабочее колесо с перфорированным кольцом.

Рисунок 4:

Внешний невращающийся домен.

4 Результаты и обсуждения

4.1 Сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных

Обязательно упомянуть, что проверка сгенерированной модели CFD проводилась путем сравнения результатов, полученных в результате моделирования, с экспериментальными данными с точки зрения локального осевого твердого тела. профили концентрации. Чтобы проверить модель CFD, концентрация твердого вещества в семи осевых положениях резервуара с мешалкой, где z / H = 0,125, 0,25, 0,375, 0.5, 0,625, 0,75 и 0,875 при r / R = 0,8 было измерено методом отбора проб (Dohi et al. 2004; Takahashi and Sasaki 1999). Как показано на рисунке 5, тенденция изменения локальной осевой концентрации твердого вещества между моделированием и экспериментом была согласованной, а значение стандартного отклонения между моделированием и экспериментом было меньше 5%.

Рисунок 5:

Сравнение профилей локальной осевой концентрации твердого вещества между моделированием и экспериментом ( N = 5 с ⁻¹ , диаметр частиц = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па.с, r / R = 0,8).

4.2 Влияние скорости вращения рабочего колеса и типа рабочего колеса

На рисунке 6 показаны локальные профили осевой концентрации твердого вещества при r / R = 0,8 как функция скорости рабочего колеса для трех различных рабочих колес (рабочее колесо с четырьмя наклонными лопастями, круг рабочее колесо пакета, рабочее колесо пакета перфорированного круга) при различных скоростях рабочего колеса, на рисунке 7 показаны смоделированные контурные графики концентрации твердых веществ в горизонтальных плоскостях при разной высоте резервуара (т.е.е. z = 0, 0,3, 0,5, 0,7, 0,9 H ) для различных скоростей рабочего колеса, а на рисунке 8 показано представление высоты облака через изоповерхность средней объемной доли ( C _avg = 0,1 ) при одинаковых условиях эксплуатации. Как видно на рисунках 6 и 7, при низкой скорости рабочего колеса твердые частицы в резервуаре с мешалкой имели большой градиент концентрации в осевом направлении резервуара с мешалкой, и большое количество твердых частиц все еще оседало на дне резервуара с мешалкой. резервуар с мешалкой и не подвешен.Концентрация твердых частиц в верхней части резервуара с мешалкой была низкой, и качество суспензии твердых частиц было плохим. Как видно на рисунке 8, высота облака была очень низкой при низкой скорости вращения крыльчатки. По мере увеличения скорости рабочего колеса твердые частицы на дне резервуара с мешалкой были подвешены к верхней части резервуара с мешалкой, градиент концентрации твердых веществ в осевом направлении резервуара с мешалкой постепенно уменьшался, а высота облака постепенно увеличивалась. Также можно заметить, что крыльчатка с круглым корпусом может повысить степень однородности системы твердое тело-жидкость по сравнению с крыльчаткой с четырьмя наклонными лопастями, а крыльчатка с перфорированным корпусом может дополнительно улучшить качество суспензии твердых частиц на основе крыльчатки с круглым корпусом.Эти явления могут быть объяснены тем фактом, что рабочее колесо с круглым корпусом имеет круглую деталь вокруг вершины лопасти рабочего колеса с четырьмя наклонными лопастями, что может увеличить насосную способность рабочего колеса, а более твердые частицы могут быть легко подвешены к верхней части. емкости с мешалкой. Рабочее колесо с перфорированным круглым корпусом могло создавать серию струйных потоков из-за наличия отверстия, а струйные потоки могли улучшать степень турбулентности смесительной системы (Liu et al. 1999; Yang, Wang и Wang 2015), что было выгодно к процессу суспендирования твердых частиц.

Рисунок 6:

Влияние скорости рабочего колеса на профиль локальной осевой концентрации твердых веществ (диаметр частиц = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па с, r / R = 0,8).

Рисунок 7:

Контурные графики объемной доли твердой фазы на горизонтальных плоскостях при разной высоте сосуда (т. Е. z = 0, 0,3, 0,5, 0,7, 0,9 H ) и различных скоростях рабочего колеса (диаметр частиц = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па · с).(a) Рабочее колесо с четырьмя скошенными лопастями, (b) Рабочее колесо с круглым корпусом, (c) Рабочее колесо с перфорированным кольцом.

Рисунок 8:

Представление высоты облака через изоповерхность с C _ср. = 0,1 при различных скоростях рабочего колеса (диаметр частиц = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па с) .

(a) Рабочее колесо с четырьмя скошенными лопастями,

(b) Рабочее колесо с круглым корпусом,

(c) Рабочее колесо с перфорированным кольцом.

4.3 Влияние апертуры и диаметра апертуры

На рисунке 9 показано влияние апертуры и диаметра апертуры рабочего колеса с перфорированным кругом на локальный осевой профиль концентрации твердого вещества при r / R = 0.8. Рабочее колесо с перфорированным круглым корпусом может создавать серию струйных потоков в процессе вращения, сдвиговое действие струйных потоков на окружающую жидкость будет увеличивать градиент скорости, и будет образовываться множество вихрей. Таким образом, можно интенсифицировать процесс локального рассеивания энергии и повысить степень турбулентности в системе смешивания твердое тело-жидкость, что было полезно для процесса суспендирования твердых частиц. Как видно на рисунке 9, относительное отверстие и диаметр апертуры крыльчатки с перфорированным круглым корпусом оказали значительное влияние на профиль локальной осевой концентрации твердого вещества.Как видно на рисунке 9а, если относительное отверстие было слишком большим, основная конвекционная диффузия будет ослаблена. Даже если вихревая диффузия была очень сильной, она ограничивалась только областью лопасти рабочего колеса, и было невозможно полностью взвесить твердые частицы по всему резервуару с мешалкой. Более того, если апертура была слишком мала, вихрей будет образовываться недостаточно для достижения цели интенсификации процесса диффузии вихрей. Следовательно, в данной работе для процесса суспендирования твердых частиц особенно подходящим было отношение отверстий 11,8%.Как показано на рисунке 9b, если диаметр отверстия был слишком большим, скорость потока через отверстие была слишком мала, чтобы сформировать достаточный градиент скорости, поэтому не было достаточно сильного напряжения сдвига, и процесс локальной вихревой диффузии не мог быть усилен. Если диаметр отверстия был слишком мал, энергия, потребляемая трением между жидкостью и краем отверстия, увеличивалась, а коэффициент использования энергии рабочего колеса снижался. Кроме того, параллельные потоки будут создаваться с уменьшением диаметра апертуры, и часть кинетической энергии между параллельными потоками будет потеряна в процессе обмена, что отрицательно скажется на процессе диффузии вихрей.Следовательно, диаметр отверстия 8 мм был особенно подходящим для процесса суспендирования твердых частиц в этой работе.

Рис. 9:

Влияние апертуры и размера апертуры рабочего колеса в корпусе с перфорацией на локальный осевой профиль концентрации твердого вещества ( N = 5 с ⁻¹ , диаметр частиц = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па · с, r / R = 0,8).

(а) Влияние светосилы (диаметр апертуры = 8 мм),

(б) Влияние размера апертуры (светосила = 11.8%).

4.4 Влияние диаметра твердых частиц

Физические характеристики твердых частиц, в частности диаметр твердых частиц, существенно влияют на качество перемешивания суспензии твердых частиц. Как можно видеть на Фигуре 10, степень гомогенности системы твердое тело-жидкость увеличивается с уменьшением диаметра твердых частиц. Можно видеть, что твердые частицы диаметром 50 мкм были равномерно распределены внутри перемешиваемого вещества, в то время как твердые частицы диаметром 120 и 190 мкм все еще существовали в градиенте концентрации в локальном осевом профиле концентрации твердых веществ.Следующее уравнение (Хоссейни и др. 2010; Лю и др. 2019) может пролить свет на влияние диаметра твердых частиц на процесс суспендирования твердое тело-жидкость.

(15) Vt = [43gdp (ρs − ρl) CDρl] 12

где V _t , C _D , ρ _s , ρ _l , d _p и g – это конечная скорость осаждения твердых частиц, коэффициент сопротивления, плотность твердых частиц, плотность жидкости, диаметр частицы и гравитационная постоянная соответственно.Конечная скорость осаждения частиц уменьшалась с уменьшением диаметра твердых частиц. Следовательно, осаждение более мелких твердых частиц будет происходить медленнее по сравнению с осаждением более крупных частиц, что указывает на то, что равномерное распределение крупных твердых частиц не будет легче.

Рисунок 10:

Влияние диаметра частиц на локальный осевой профиль концентрации твердого вещества (рабочее колесо с перфорированным кружком, N = 5 с ⁻¹ , µ = 1 × 10 ⁻³ Па с, r / R = 0.8).

4.5 Влияние вязкости жидкости

На рисунке 11 показано влияние вязкости жидкости на профиль локальной осевой концентрации твердых веществ. Как показано на рисунке 11, профиль локальной осевой концентрации твердого вещества при r / R = 0,8 показал, что довольно равномерное распределение было обнаружено в более вязкой жидкости. Более равномерное распределение твердых частиц в более вязкой жидкости можно объяснить тем фактом, что более высокое вязкое сопротивление и более высокое сопротивление потоку в более вязкой жидкости привело к меньшей скорости осаждения твердых частиц, тем самым предотвращая возврат твердых частиц на дно. емкости с мешалкой после суспендирования в жидкой фазе, и для поддержания твердых частиц в суспензии требовалось меньше энергии.

Рис. 11:

Влияние вязкости жидкости на профиль локальной осевой концентрации твердых веществ (рабочее колесо с перфорированным кружком, N = 5 с ⁻¹ , диаметр частиц = 120 мкм, r / R = 0,8) .

4.6 Прогнозирование только скорости суспензии

Справочная скорость суспензии ( N _js ) была принята для проверки качества смешивания твердой и жидкой фаз в резервуаре с мешалкой. Только скорость суспендирования ( N _js ) была определена как скорость перемешивания крыльчатки, необходимая для достижения полной суспензии твердых частиц (вне дна) в резервуаре с перемешиванием твердое тело-жидкость.Средняя объемная доля твердого вещества для горизонтальной плоскости, расположенной на 1 мм выше дна резервуара с мешалкой, была измерена при различных скоростях рабочего колеса с использованием модели CFD для определения N _js . Две касательные (одна в точке минимального наклона, а другая в точке максимального наклона) были проведены к кривой, как показано на Рисунке 12. Справедливая скорость подвески ( Н, _js ) была скоростью перемешивания рабочего колеса, соответствующей до точки пересечения двух касательных.Аналогичный подход был использован Tamburini et al. (2013) и Hosseini et al. (2010) для оценки N _js . Как показано на рисунке 12, единственная скорость подвески ( N _js ) оказалась равной 4,56 с ⁻¹ , 4,41 с ⁻¹ и 4,26 с ⁻¹ с использованием этого метода для рабочее колесо с четырьмя наклонными лопастями, рабочее колесо с круглым корпусом и рабочее колесо с перфорированным корпусом, соответственно. Также можно обнаружить, что крыльчатка с круглым корпусом может снизить скорость только подвески по сравнению с крыльчаткой с четырьмя наклонными лопастями, а крыльчатка с перфорированным корпусом может дополнительно снизить скорость простой подвески на основе крыльчатки с круглым корпусом.Он показал, что рабочее колесо с перфорированным корпусом было более эффективным при взвешивании твердых частиц по сравнению с рабочим колесом с четырьмя наклонными лопастями и рабочим колесом с круглым корпусом.

Рис. 12:

Оценка только скорости суспензии с использованием средней объемной доли твердого вещества в зависимости от скорости рабочего колеса для трех различных рабочих колес (диаметр частиц = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па · с).

(a) Система рабочего колеса с четырьмя скошенными лопастями,

(b) Рабочее колесо с круглым корпусом,

(c) Рабочее колесо с перфорированным кольцом.

4.7 Оценка качества суспензии твердых частиц

Однородность ξ широко используется в литературе для оценки качества суспензии твердых частиц. Чтобы измерить качество суспензии твердых частиц, объемные доли твердых частиц в семи осевых положениях резервуара с мешалкой, где z / H = 0,125, 0,25, 0,375, 0,5, 0,625, 0,75 и 0,875 при r / R = 0,8 были измерены пробоотборным методом. Однородность ξ может быть рассчитана с использованием следующего уравнения (Hosseini et al.2010; Tervasmaki, Tiihonen, and Ojamo 2014):

(16) ξ = 1 − ∑1n (Ch − Cavg) 2n

, где n – количество точек отбора проб, C _h – местный осевая концентрация твердых веществ, C _avg – средняя концентрация твердых веществ.

Рисунок 13 демонстрирует однородность ξ как функцию потребляемой мощности ( P _w ) для трех различных рабочих колес (рабочее колесо с четырьмя наклонными лопастями, рабочее колесо с круглым корпусом, рабочее колесо с перфорированным корпусом).Как показано на Рисунке 13, чем выше P _w , тем выше качество суспензии твердых частиц. Также можно отметить, что рабочее колесо с круглым корпусом могло улучшить качество суспензии твердых частиц по сравнению с рабочим колесом с четырьмя наклонными лопастями при том же энергопотреблении, а рабочее колесо с перфорированным корпусом было более эффективным с точки зрения качества суспензии твердых частиц в жидкой фазе на основе крыльчатки круглого пакета.

Рисунок 13:

Сравнение ξ при разном энергопотреблении.

Как показано на Рисунке 14, потребляемая мощность ( P, _Вт, ) трех разных рабочих колес сравнивалась друг с другом при одинаковой частоте вращения рабочего колеса. Было замечено, что потребляемая мощность крыльчатки с четырьмя наклонными лопастями была самой высокой среди трех различных крыльчаток, а крыльчатка с перфорированным корпусом могла снизить энергопотребление на основе крыльчатки с круглым корпусом при той же скорости крыльчатки. Это показало, что рабочее колесо с перфорированным кругом было наиболее эффективным в процессе суспендирования твердых частиц среди трех различных рабочих колес.

Рисунок 14:

Сравнение P _w при разных скоростях рабочего колеса.

4.8 Анализ качества твердой суспензии

Необходимо сравнить состояние суспензии твердых частиц в трех различных системах крыльчатки (система с четырьмя наклонными лопастями, система крыльчатки с круглым корпусом, система крыльчатки с перфорированным корпусом) при постоянном потреблении энергии. На рисунке 15 показаны изолинии концентрации твердых веществ для различных типов крыльчатки при P _w = 100 Вт на плоскости YZ , а на рисунке 16 показан трехмерный вид изобъема объемной доли твердого вещества выше 1.3 C _{в среднем} при том же энергопотреблении. Как показано на рисунках 15 и 16, большое количество твердых частиц было отложено на дне резервуара с мешалкой с четырьмя наклонными лопастями, крыльчатка с круглым корпусом может уменьшить количество твердых частиц, осаждаемых на дне перемешиваемого резервуара, а крыльчатка с перфорированным корпусом может дальнейшее улучшение степени однородности твердых частиц по сравнению с крыльчаткой с круглым корпусом при том же энергопотреблении. Это явление можно объяснить тем фактом, что рабочее колесо с перфорированным кругом может улучшить интегральную скорость твердых частиц в области между дном резервуара с мешалкой и нижним рабочим колесом по сравнению с рабочим колесом с круглым корпусом и рабочим колесом с четырьмя наклонными лопастями (Рисунок 17), что было полезно для процесса суспендирования твердых частиц.Между тем, крыльчатка с перфорированным кругом может генерировать серию струйных потоков, сдвиговое действие струйных потоков на окружающую жидкость увеличит градиент скорости и может увеличить турбулентную кинетическую энергию и скорость диссипации турбулентной кинетической энергии в системе смешения твердое тело-жидкость. на базе крыльчатки круглого пакета и четырехлопастной крыльчатки при постоянном потреблении электроэнергии (рисунки 18 и 19). Это указывает на то, что рабочее колесо с перфорированным корпусом может улучшить качество суспензии твердых частиц на основе рабочего колеса с круглым корпусом и рабочего колеса с четырьмя наклонными лопастями при одинаковом энергопотреблении.

Рисунок 15:

Контурные графики концентрации твердых веществ для различных типов рабочего колеса при P _w = 100 Вт на плоскости YZ (диаметр частиц = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па · с).

(a) Рабочее колесо с четырьмя скошенными лопастями,

(b) Рабочее колесо с круглым корпусом,

(c) Рабочее колесо с перфорированным кольцом.

Рисунок 16:

Изообъем твердой объемной доли выше 1,3 C _ср. (темная область) для различных типов крыльчатки при P _w = 100 Вт (диаметр частиц = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па · с).

(a) Рабочее колесо с четырьмя скошенными лопастями,

(b) Рабочее колесо с круглым корпусом,

(c) Рабочее колесо с перфорированным кольцом.

Рисунок 17:

Контурные графики интегральной скорости твердых частиц для различных типов крыльчатки при P _w = 100 Вт на плоскости YZ (диаметр частицы = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па · с).

(a) Рабочее колесо с четырьмя скошенными лопастями,

(b) Рабочее колесо с круглым корпусом,

(c) Рабочее колесо с перфорированным кольцом.

Рисунок 18:

Кинетическая энергия турбулентности для различных типов крыльчатки при P _w = 100 Вт (диаметр частицы = 120 мкм, µ = 1 × 10 ⁻³ Па · с, r / R = 0,8).

Рисунок 19:

Скорость рассеяния турбулентной кинетической энергии для различных типов крыльчатки при P _Вт = 100 Вт (диаметр частиц = 120 мкм м, µ = 1 × 10 ⁻³ Па с, r / R = 0.8).

5 Выводы

Рабочее колесо с перфорированным круглым корпусом было предложено как новый подход к повышению уровня однородности процесса суспендирования твердых частиц. Характеристики суспензии твердых частиц в резервуаре с мешалкой с четырьмя рабочими колесами с наклонными лопастями, рабочими колесами с круглым корпусом и рабочими колесами с перфорированным кругом были сравнительно исследованы с помощью компьютерного моделирования гидродинамики. Были спрогнозированы осевой профиль концентрации твердого вещества, распределение концентрации твердого вещества, высота облака, высота твердого осадка, только скорость взвеси, интегральная скорость твердого тела, турбулентная кинетическая энергия и скорость диссипации турбулентной кинетической энергии в резервуаре с мешалкой.Было исследовано влияние скорости рабочего колеса, потребляемой мощности, типа рабочего колеса, размера / соотношения отверстий, диаметра твердых частиц и вязкости жидкости на качество суспензии твердых частиц. Результаты показали, что качество суспензии твердых частиц улучшилось с увеличением скорости рабочего колеса с точки зрения осевого профиля концентрации твердых частиц, распределения концентрации твердых частиц и высоты облака. Рабочее колесо с перфорированным круглым корпусом может снизить скорость вращения подвески и повысить уровень однородности процесса перемешивания твердой и жидкой фаз на основе крыльчатки с четырьмя наклонными лопастями и крыльчатки с круглым корпусом.Оптимальные относительное отверстие и диаметр отверстия составляли 11,8% и 8 мм соответственно для процесса суспендирования твердых частиц в этой работе. Меньший диаметр частиц приводит к меньшей скорости осаждения и более высокому качеству суспензии твердых частиц. Более вязкая жидкость легче удерживала твердые частицы во взвешенном состоянии. Между тем, крыльчатка с перфорированным корпусом может снизить энергопотребление по сравнению с крыльчаткой с четырьмя наклонными лопастями и крыльчаткой в ​​корпусе с круглым корпусом при той же скорости крыльчатки и повысить интегральную скорость твердого тела, турбулентную кинетическую энергию и скорость рассеяния турбулентной кинетической энергии при перемешивании твердой и жидкой фаз. система при постоянном потреблении энергии, что было выгодно для процесса суспендирования твердых частиц в резервуаре с мешалкой.

Номенклатура

T

Диаметр резервуара с мешалкой, м

C _h

Местная объемная доля твердой фазы на высоте h

C

5 средн.

средняя объемная доля твердой фазы

n

количество точек отбора проб

d _p

диаметр частицы, мкм

g

ускорение свободного падения 9012 2

C _{ε 1} , C _{ε 2} , C _μ

параметры в стандарте k – ε модель

k

кинетическая энергия турбулентности, м ² / с ²

900 66 F _i

Влияние внешней силы, силы турбулентной дисперсии, силы виртуальной массы и подъемной силы ( Н )

ε

Скорость диссипации турбулентной энергии

μ _м

молекулярная вязкость, Па с

μ _{t, м}

турбулентная вязкость, Па с

σ _k , σ ε

0

9 k и ε турбулентный номер Прандтля

Автор для переписки: Дэин Гу , Школа окружающей среды и ресурсов, Университет технологий и бизнеса Чунцина, Чунцин 400060, Китай, электронная почта: gdy0811 @ ctbu.edu.cn

Источник финансирования: Научно-исследовательских проектов для высокоуровневых талантов Чунцинского технологического и бизнес-университета

Идентификатор награды / номер гранта: 1956006

Источник финансирования: Фонд естественных наук Чунцинского технологического и Business University

Идентификатор награды / номер гранта: 1952041

Источник финансирования: Научно-технический исследовательский проект Комиссии по образованию Чунцина

Идентификатор награды / номер гранта: KJQN2012

Источник финансирования: National Natural Science Фонд Китая

Идентификатор награды / номер гранта: 21636004

Исследование было поддержано проектами научных исследований высокоуровневых талантов Университета технологий и бизнеса Чунцина (1956006), Научно-технологическим исследовательским проектом Комиссии по образованию Чунцина ( KJQN2019008 02), Фонд естественных наук Чунцинского университета технологий и бизнеса (1952041) и Национальный фонд естественных наук Китая (21636004).

Ссылки

Chen, J. G., D. Y. Luan, S. J. Zhou, and S. Y. Chen. 2011. «Численное моделирование характеристик суспензии твердое тело-жидкость с турбиной с четырьмя шаговыми лопастями с перфорацией». Оборудование для нефтехимии 40: 29–32. Ищите в Google Scholar

Дохи, Н., Т. Такахаши, К. Минекава и Ю. Кавасе. 2004. «Энергопотребление и характеристики твердой подвески крупногабаритных рабочих колес в трехфазных реакторах с перемешиванием газ-жидкость-твердое тело». Журнал химической инженерии 97: 103–14.https://doi.org/10.1016/s1385-8947(03)00148-7. Искать в Google Scholar

Gu, D. Y., Z. H. Liu, Z. H. Qiu, C. L. Xu, Z. M. Xie, J. Li, C. Y. Tao и Y. D. Wang. 2017a. «Поведение суспензии твердое тело-жидкость усилено жестко-гибким перфорированным рабочим колесом». Журнал CIESC 68: 4556–64. Искать в Google Scholar

Gu, D. Y., Z. H. Liu, Z. H. Qiu, J. Li, C. Y. Tao и Y. D. Wang. 2017b. «Конструкция лопастей рабочего колеса для обеспечения эффективной однородности твердо-жидкой суспензии в реакторе с перемешиваемым резервуаром.” Advanced Power Technology 28: 2514–3. https://doi.org/10.1016/j.apt.2017.06.027. Искать в Google Scholar

Хоссейни, С., Д. Патель, Ф. Эйн-Мозаффари и М. Мехрвар. 2010. «Исследование перемешивания твердой и жидкой фаз в резервуарах с мешалкой посредством моделирования динамики жидкости». Промышленные и инженерные исследования в области химии 49: 4426–35. https://doi.org/10.1021/ie

0z. Искать в Google Scholar

Ибрагим, С., С. Д. Вонг, И. Ф. Бейкер, З. Замзам, М. Сато и Ю.Като. 2015. «Влияние геометрии и свойств суспензии на суспензию мелких частиц при высоких нагрузках в сосуде с перемешиванием». Исследования и разработки в области химической инженерии 94: 324–36. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2014.08.008. Искать в Google Scholar

Касат, Г. Р., А. Р. Хопкар, В. В. Ранаде, А. Б. Пандит. 2008. «CFD-моделирование жидкофазного перемешивания в реакторе с перемешиванием твердой и жидкой фаз». Химическая инженерия 63: 3877–85. https://doi.org/10.1016/j.ces.2008.04.018. Искать в Google Scholar

Хопкар, А. Р., Г. Р. Касат, А. Б. Пандит и В. В. Ранаде. 2016. «Вычислительное моделирование гидродинамики твердой суспензии в реакторе с перемешиваемым шламом». Промышленные и инженерные исследования в области химии 45: 4416–28. https://doi.org/10.1021/ie050941q. Искать в Google Scholar

Кленов О.П., Носков А.С. 2011. «Твердая дисперсия в шламовом реакторе с несколькими крыльчатками». Журнал химической инженерии 177: 75–82.https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.07.056. Искать в Google Scholar

Kumaresan, T., and J. B. Joshi. 2006. «Влияние конструкции рабочего колеса на структуру потока и перемешивание в резервуарах с мешалкой». Журнал химической инженерии 115: 173–93. https://doi.org/10.1016/j.cej.2005.10.002. Ищите в Google Scholar

Liu, J., Y. Ou и N. Wang. 1999. «Характеристики перемешивания перфорированной мешалки нового типа, используемой в твердожидкостной системе». Журнал Университета Си Чуань Юнион 3: 48–53.Искать в Google Scholar

Liu, Z. H., X. Y. Yang, Z. M. Xie, R. L. Liu, C. Y. Tao и Y. D. Wang. 2013. «Хаотическое перемешивание жидкости с высокой вязкостью, синергетически усиленное гибким рабочим колесом и плавающими частицами». Журнал CIESC 64: 2794–800. Ищите в Google Scholar

Лю Б., З. Сю, Ф. Фань и Б. Хуан. 2018. «Экспериментальное исследование характеристик твердой суспензии коаксиальных смесителей». Химические исследования и разработки в области инженерии 133: 335–46.https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.03.035. Ищите в Google Scholar

Лю Б., З. Сю, К. Сяо и Б. Хуан. 2019. «Численное исследование характеристик твердой подвески коаксиального смесителя в вязких системах». Китайский журнал химического машиностроения 27: 2325–36. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2019.01.031. Ищите в Google Scholar

Ljungqvist, M., and A. Rasmuson. 2001. «Численное моделирование двухфазного потока в сосуде с осевым перемешиванием». Химические исследования и разработки в области инженерии 79: 533–46.https://doi.org/10.1205/02638760152424307. Искать в Google Scholar

Мичелетти, М., Л. Никифораки, К. К. Ли и М. Яннескис. 2003. «Концентрация частиц и характеристики смешения твердых и жидких суспензий от умеренной до плотной». Промышленные и инженерные исследования в области химии 42: 6236–49. https://doi.org/10.1021/ie0303799. Искать в Google Scholar

Mishra, P., and F. Ein-Mozaffari. 2017. «Использование вычислительной гидродинамики для анализа производительности рабочего колеса Maxblend при смешивании твердой и жидкой фаз.” Международный журнал многофазных потоков 91: 194–207. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2017.01.009. Искать в Google Scholar

Montante, G., G. Micale, F. Magelli и A. Brucato. 2001. «Эксперименты и предсказания CFD распределения твердых частиц в сосуде, перемешиваемом с помощью четырехступенчатых лопастных турбин». Химические исследования и разработки в области инженерии 79: 1005–14. https://doi.org/10.1205/02638760152721253. Искать в Google Scholar

Nurtono, T., Х. Сетяван, А. Альтвей и С. Винарди. 2009. «Характеристика макронестабильности в резервуаре с мешалкой на основе эксперимента по визуализации потока и моделирования больших вихрей». Химические исследования и разработки в области инженерии 87: 923–42. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2009.01.011. Искать в Google Scholar

Пинелли Д., Г. Монтанте и Ф. Магелли. 2004. «Коэффициенты дисперсии и скорости оседания твердых частиц в емкостях для шлама, перемешиваемых с помощью различных типов нескольких рабочих колес». Химическая инженерия 59: 3081–9.https://doi.org/10.1016/j.ces.2004.04.033. Искать в Google Scholar

Takahashi, K., and S. Sasaki. 1999. «Полная вытяжка и диспергирование плавающих твердых частиц в сосуде с мешалкой, оборудованном обычными крыльчатками». Журнал химической инженерии Японии 32: 40–44. https://doi.org/10.1252/jcej.32.40. Искать в Google Scholar

Тамбурини, А., А. Чиполлина, Г. Микале, А. Брукато и М. Чофало. 2011. «CFD-моделирование плотных твердо-жидких суспензий в резервуарах с перегородками для перемешивания: прогнозирование кривых суспензии.” Журнал химической инженерии 178: 324–41. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.10.016. Искать в Google Scholar

Тамбурини, А., А. Чиполлина, Г. Микале, А. Брукато и М. Чофало. 2012. «Моделирование плотных твердо-жидких суспензий в резервуарах с перегородками и перемешивающими устройствами с помощью CFD-моделирования: прогнозирование минимальной скорости рабочего колеса для полной подвески». Журнал химической инженерии 193: 234–55. https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.04.044. Искать в Google Scholar

Tamburini, A., А. Чиполлина, Г. Микале, А. Брукато и М. Чофало. 2013. «Моделирование плотных твердо-жидких суспензий в резервуарах с перегородками и перемешивающими устройствами с помощью CFD: прогноз распределения твердых частиц». Журнал химической инженерии 223: 875–90. https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.03.048. Искать в Google Scholar

Tervasmaki, P., J. Tiihonen, and H. Ojamo. 2014. «Сравнение критериев взвешивания твердых частиц на основе томографии электрического импеданса и визуальных измерений». Химическая инженерия 116: 128–35.https://doi.org/10.1016/j.ces.2014.05.003. Искать в Google Scholar

Ваднеркар Д., Утикар Р. П., М. О. Таде и В. К. Парик. 2012. «CFD-моделирование емкостей с перемешиванием твердой и жидкой фаз». Передовые энергетические технологии 23: 445–53. https://doi.org/10.1016/j.apt.2012.03.007. Искать в Google Scholar

Ваднеркар Д., М. О. Таде, В. К. Парик и Р. П. Утикар. 2016. «CFD-моделирование резервуаров с твердым и жидким перемешиванием для систем загрузки твердых тел от низкой до плотной». Партикуология 29: 16–33.https://doi.org/10.1016/j.partic.2016.01.012. Искать в Google Scholar

Wang, S., X. Jiang, R. Wang, W. Xu, S. Yang, Z. Jian и L. Yang. 2017. «Численное моделирование поведения потока частиц в сосуде с перемешиванием жидкость-твердое тело с перегородками». Передовые энергетические технологии 28: 1161–624. https://doi.org/10.1016/j.apt.2017.04.004. Искать в Google Scholar

Wen, C., and Y. Yu. 1966. «Механика псевдоожижения». Серия симпозиумов по прогрессу химического машиностроения 62: 100–111.Поиск в Google Scholar

Xu, W. X. 2013. Разработка логарифмической геликоидальной крыльчатки и исследование поля течения с возбуждением твердой жидкостью . Университет Цзяншу, Чжэнцзян. Ищите в Google Scholar

Yang, H., F. Wang и C. Wang. 2015. «Оптимизация конструктивных параметров рабочего колеса с перфорацией». Журнал Технический институт Уханьского института 37: 39–43. Ищите в Google Scholar

Zhao, Q., X. Quan, and Y. Liang. 2007. «Исследование новой диафрагменной струйной мешалки – эксперименты с осесимметричной струей в системе твердое тело-жидкость.» Химическая реакционная техника и реакторная техника 23: 512–5. Искать в Google Scholar

Получено: 2020-02-03

Принято: 2020-06-20

Опубликовано онлайн: 2020-08-26

© 2020 Deyin Gu et al., Опубликовано De Gruyter, Berlin / Boston

Это произведение находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Пять способов предвидеть стихийные бедствия

В 2011 году было зарегистрировано 302 стихийных бедствия, в результате которых погибло более 29 782 человека, а экономический ущерб составил 366 миллиардов долларов (295 миллиардов евро).Сегодня пять многообещающих исследовательских проектов используют новейшие вычислительные методы для предсказания или прогнозирования – в зависимости от вашей точки зрения – катастрофических событий или их последствий.

1) Прогнозирование неопределенности внезапных паводков

Трехмерная численная модель с очень высоким разрешением (1 км), предсказывающая осадки (все жидкие или твердые водные частицы, которые образуются в атмосфере и падают на поверхность Земли), вызвавшие внезапное наводнение в Генуе 4 ноября 2011 года. Оранжевый цвет относится к изовому для дождевой воды, серый – к изообъему для крупы (мягкий град или снежные гранулы), зеленый – для изообъема для снега и, наконец, пурпурный – для изообъема для водяного пара.Верхнее изображение любезно предоставлено Никола Ребора. Основное изображение любезно предоставлено Wikimedia Commons.

Быстрое наводнение из-за сильного дождя может вызвать внезапные наводнения в течение нескольких минут. Сильные потоки воды могут вызвать новые оползни. По данным Национальной метеорологической службы США, от наводнений умирает больше людей, чем от молний, ​​торнадо и ураганов. Исследователи Распределенной исследовательской инфраструктуры для гидрометеорологии (DRIHM), финансируемые ЕС, используют распределенные вычисления и гражданских ученых для прогнозирования внезапных наводнений.

Исследователи DRIHM строят модели на основе наблюдений, чтобы вычислить среднее количество осадков в заданной области: например, 100 квадратных километров (39 квадратных миль). Затем они определяют вероятность того, сколько осадков выпадет в «водосборной зоне» в несколько километров, чтобы выявить любые случаи внезапных наводнений.

«Наша цель – разработать ориентированную на пользователя исследовательскую инфраструктуру для гидрометеорологов с использованием сетей и высокопроизводительных компьютеров», – сказал Никола Ребора из исследовательского фонда CIMA, Италия, и заместитель координатора DRIHM.

Проблема при попытке предсказать ливневые паводки – комбинировать различные модели. «Чтобы совместить метеорологическое прогнозирование с гидрометеорологическим моделированием, нам необходимо уменьшить или увеличить разрешение. Если мы не будем использовать правильное разрешение, прогноз наводнения будет недооценен, что может стоить жизни», – сказал Ребора.

Наводнения можно предсказать, но с неопределенностью. Ребора стремится количественно оценить эту неопределенность. Гражданские ученые играют решающую роль в этом процессе.

«Гражданские ученые могут помочь нам разработать требования к нашей инфраструктуре, поскольку они также будут ее пользователями», – сказал Ребора. Исследователи DRIHM работают с сетями гражданских ученых в Италии и США и сотрудничают через онлайн-форум пользователей. «Это взаимная выгода; граждане передают нам свои данные, и им возвращаются вычислительные мощности и знания».

Проект DRIHM помог во время внезапных наводнений в Чинкве-Терре (25 октября 2011 г.) и Генуе (4 ноября 2011 г.). Ребора сказал: «В обоих случаях своевременное предупреждение было выпущено более чем за 12-24 часа.«

2) Обнаружение торнадо через суперячейки

2011 год считается 4-м самым смертоносным годом торнадо в истории США: произошел 1 691 торнадо, унесшие сотни жизней. В этом году исследователи из Национального управления океанических и атмосферных исследований в настоящее время используют новейшие компьютерные модели и высокопроизводительные компьютеры для создания системы раннего предупреждения.

Изображение, показывающее приповерхностную завихренность или мгновенные вращения, давление и ветер в одном и том же моделировании и в одно и то же время.Большое падение давления (обозначено черными линиями) и рост завихренности (цвет) подтверждают образование торнадо в нижней левой области моделирования. Изображение любезно предоставлено Эми Макговерн.

Система ансамблевых прогнозов в масштабе штормов предназначена для прогнозирования вероятности сильных штормов каждый час в течение последующего периода в один-два дня. Этот ансамблевой подход представляет собой набор численных моделей с шагом сетки по горизонтали от одного до четырех километров (от 0,6 до 2,5 миль). Они обеспечивают предсказуемость определенных результатов.

Для точных прогнозов торнадо исследователям необходимо разрешение модели от 50 до 75 метров (от 164 до 246 футов). Вместо того, чтобы вдаваться в подробности, они могут понять формирование торнадо, изучая грозы сверхъячейки в масштабе около 10 километров (шесть миль). Эти суперячейки используются в качестве прокси для прогнозирования вероятности образования торнадо.

«В этих масштабах мы явно не прогнозируем торнадо, но находимся в диапазоне суперячейков и других грозовых структур, которые создают суровую погоду, т.е.грамм. сильный град и сильный ветер “, – сказал Грег Карбин, исследователь из NOAA.

Чтобы получить точные прогнозы, исследователи, такие как Эми Макговерн из Университета Оклахомы, моделируют от 100 до 150 штормов. Затем она извлекает метаданные о ветрах, дующих вверх и вниз, и другие данные, чтобы определить признаки образования торнадо. Макговерн запускает эти симуляции с высоким разрешением на программном обеспечении, использующем высокопроизводительную вычислительную сеть XSEDE.

“Мы ищем характеристики шторма, которые генерируют торнадо, которые не появляются в штормах, которые не генерируют торнадо, и наоборот.«Мы строим лес деревьев решений, чтобы делать прогнозы», – сказал Макговерн.

Сейчас основная задача – разработать методы, позволяющие синоптикам переваривать и интерпретировать большой объем поступающих данных. «Нам нужны усовершенствования в экспертных системах, которые помогут метеорологам отделить сигнал от шума», – сказал Карбин.

Люди-синоптики преуспевают в распознавании образов и могут быть лучше компьютеров в этой задаче. «Распознавание образов и« инстинкт »могут иметь решающее значение для составления точного краткосрочного прогноза», – сказал Карбин.«До тех пор, пока эта самая человеческая способность не будет включена в автономные системы, люди, вероятно, будут продолжать играть важную роль в« вызове »предупреждений о торнадо».

3) Копирование поведения огня

Инструмент SmokeView для визуализации результатов расчетов Fire Dynamics Simulator. На этом изображении показаны испытания автомобилей на огнестойкость, проведенные институтом Глучи, которые включали пожары в моторном отсеке и в салоне автомобиля. Изображение предоставлено Ладиславом Глучи.

Вспышка пожара в семейном доме, на электростанции или в лесу может привести к гибели людей и дорогостоящему экологическому и экономическому ущербу.Например, в Европе от лесных пожаров ежегодно сжигается в среднем 5 000 квадратных километров (1 931 квадратная миля).

Словацкая национальная грид-инфраструктура провела шестимесячный проект виртуального командного моделирования пожара в рамках европейской грид-инфраструктуры для совместного использования вычислительных ресурсов и разработки более точных симуляторов пожара и дыма для прогнозирования поведения пожара.

Виртуальный проект объединил опыт европейских исследователей пожаров, в том числе словацких, испанских и португальских исследователей.

При моделировании пожаров в туннелях, например, они использовали распределенную вычислительную версию Fire Dynamics Simulator, числового программного инструмента, разработанного Национальным институтом стандартов и технологий США.

«Мы используем инструмент под названием SmokeView для визуализации результатов вычислений FDS, таких как геометрия сценария пожара, распространение пламени и дыма, температурные кривые и другие физические величины, описывающие развитие пожара», – сказал Ладислав Глухи, директор Института информатики. в Словацкой академии наук.

Имея доступ к параллельным вычислительным ресурсам, Глухи и его команда провели больше экспериментов по моделированию, сократили время моделирования пожара и создали более реалистичные модели.

«Время, необходимое для последовательного расчета 180-метрового автодорожного туннеля, составило 377 часов», – сказал Глучи. «С кластером в нашем институте на это ушло 33 часа». Эти результаты поведения при пожаре помогают повысить реалистичность сценариев восстановления после пожара для обучения пожарных, а лица, определяющие политику, могут разработать законы, которые помогут снизить риски, как естественные, так и антропогенные.

Hluchý сказал: «На национальном уровне существует высокий уровень признания результатов наших исследований. Высшие органы пожарной безопасности попросили нас подготовить компьютерную симуляцию пожаров в семейном доме для целей суда». Проект завершился 30 июня; Анкета была разработана, чтобы помочь определить услуги моделирования, необходимые в EGI для экспертов по моделированию пожара из 12 стран. Информация была получена от трех национальных сетевых инфраструктур в Испании, Португалии и Словакии.

4) Прогноз подводных извержений

По текущим оценкам, 80% извержений вулканов на планете происходят под водой. Даже в глубинах океана извержение вулкана или трещина может извергнуть большое количество согревающего планету CO ² , вызвать цунами или произвести оглушительный шум, который может нанести вред морской жизни.

В 2011 году Боб Дзиак, морской геолог из NOAA, США, вместе с группой исследователей спрогнозировал извержение Осевой подводной горы у побережья Орегана.Это был первый раз, когда была сделана точная оценка извержения подводного вулкана.

Краб-паук осматривает гидрофон морского дна (OBH), когда он находится на дне подводной горы Axial перед извержением 2011 года. OBH – это прибор для мониторинга, предназначенный для обнаружения подводных землетрясений. Цепь связана с плаванием над видом на фото. Изображение любезно предоставлено Биллом Чедвиком, Университет штата Орегон.

«Наши методы долгосрочного прогноза дают точность от нескольких месяцев до лет.Наши краткосрочные сейсмические методы дают точность от нескольких дней до часов после того, как мы видим начало вулканического события, – сказал Дзиак. Эти методы являются наиболее точной технологией, доступной в настоящее время сообществу исследователей океана. Еще одним удивительным аспектом этой истории был что даже несмотря на то, что один из моих гидрофонов на морском дне был погребен под слоем лавы на 30 см (11,81 дюйма), его электроника продолжала работать. Он все еще мог связываться с исследовательским судном на поверхности моря ».

Чтобы делать долгосрочные прогнозы, исследователи проанализировали данные, собранные с автономных гидрофонов, расположенных недалеко от Axial Seamount, с помощью инструмента с открытым исходным кодом.Инструмент анализа, который они использовали, был написан с использованием интерактивного языка данных, который создает понятные визуализации из сложных числовых данных. Это программное обеспечение помогло исследователям определить измерения давления на морском дне, которые указывали на то, что вулкан раздувается.

Объем данных, необходимых для краткосрочных прогнозов, составляет около 40 гигабайт на каждый год данных гидрофонов, а для долгосрочных прогнозов требуется 400 гигабайт данных гидрофонов и вулканического давления за 10 лет.

Их последние исследования показывают, что они могут идентифицировать ключевые сигнатуры примерно за два часа до извержения.«Неясно, являются ли наши наблюдения уникальными для Осевой подводной горы или могут быть воспроизведены на других подводных вулканах по всему миру», – сказал Дзиак.

В настоящее время планируется установка оптоволоконных кабелей, чтобы повысить точность прогнозов. Это будет завершено через несколько лет и предоставит видео в реальном времени, а также химические, температурные и биологические данные. Дзяк сказал: «Моя самая большая проблема – это получить дополнительные средства для установки большего количества сейсмических и гидрофонных датчиков на подводной горе и увидеть, как вулкан отреагирует на извержение, для более точных прогнозов на будущее.«

5) Прогнозирование ущерба от землетрясения

Скарлатудис выполняет моделирование распространения сейсмических волн для более обширной территории Салоников в Греции. Изображение предоставлено Андреасом Скарлатудисом.

По данным фонда Global Earthquake Model, более полумиллиона человек погибли за последнее десятилетие из-за землетрясений. «Очень сложно, если не невозможно, сделать точный краткосрочный прогноз землетрясения», – сказал Андреас Скарлатудис, сейсмолог из геофизической лаборатории Университета Салоников в Греции.Скарлатудис работает с другими сейсмологами и ИТ-экспертами Hellasgrid, чтобы спрогнозировать районы, которые будут подвергаться высоким уровням «подземных толчков» в результате землетрясений.

«Более глубокое знание реакции грунта на землетрясение и его воздействие поможет нам построить более безопасные здания», – сказал Скарлатудис.

Ему требуются точные данные о землетрясении, такие как местоположение, сила, тип разлома и геофизическая модель местности. Затем Скарлатудис использует программное обеспечение для моделирования, реализованное на языке программирования Fortran 90, для создания сейсмограмм.Код запускается в сети, которая координируется Европейской сетевой инфраструктурой. Результатом является трехмерное моделирование движения волны землетрясения, которое используется для изучения воздействия на движение грунта.

Чтобы оценить свои результаты, Скарлатудис сравнил их с данными землетрясения 4 июля 1978 года, самого большого за последние десятилетия землетрясения в этом районе.