肺部多级分叉网络中细颗粒物沉积特性的数值模拟研究

发布时间：2023-06-03 04:37

　　多级分叉是自然界中广泛存在的一种网络结构,如燃气通风空调管路、给排水管网、多级河道及人体的呼吸系统等。鉴于分叉网络所特有的跨尺度特性,目前已开展了大量相关研究,但受其级数众多的限制,通常仅能针对局部管路的流动特性进行详细研究。当流动与颗粒物输运同时存在时,所要模拟的颗粒的数量与级数之间呈指数关系增长,求解这一类输运问题难度更大。人体的下呼吸道就是此类典型的分叉网络结构,研究微细颗粒物,如PM2.5,在其中的输运沉积就需要解决这一困难。本文基于网络结构的对称性和粒子的统计平均特性,提出了通过颗粒分裂和合并的颗粒加倍与减半算法,可以大幅减少模拟的计算量,使得对多级分叉管路系统输运的模拟成为可能。主要工作如下:首先,在前期本课题组呼吸区流场模拟研究的基础上,本文开展了呼吸区颗粒沉积特性的研究。研究发现,全尺度的模拟对计算性能要求较高,在入口释放颗粒的数量有限时,颗粒通常不能到达呼吸区的末端,无法对整个呼吸区颗粒沉积特性进行研究。尽管通过增加入口释放的颗粒数,可以增加可能到达呼吸区末端颗粒的数量,但这一颗粒数量偏少,不能反映系统的沉积统计规律,无法准确表征其沉积特性。因此,为解决模拟所需巨大颗...

【文章页数】：63 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 分叉网络
        1.1.2 大气中的颗粒对人体健康的影响
    1.2 研究意义
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 国内研究现状
        1.3.2 国外研究现状
    1.4 研究目的及内容
        1.4.1 研究目的
        1.4.2 研究内容
2 数值模拟基本理论
    2.1 呼吸系统简介
        2.1.1 呼吸系统的作用
        2.1.2 呼吸机理
        2.1.3 呼吸系统的组成
    2.2 空气流动理论
        2.2.1 可压缩流动和不可压缩流动
        2.2.2 层流和紊流
        2.2.3 定常流动和非定常流动
    2.3 颗粒物沉积的数值模拟理论
        2.3.1 颗粒物的沉积机理
        2.3.2 颗粒物的受力分析
        2.3.3 颗粒物的数值模拟方法
3 呼吸区颗粒沉积的数值模拟
    3.1 模型描述
    3.2 呼吸区数值模拟采用的模块
        3.2.1 层流模块
        3.2.2 变形几何模块
        3.2.3 流体流动颗粒追踪模块
    3.3 边界条件和参数的设定
    3.4 表征颗粒物沉积的无量纲数
    3.5 呼吸区颗粒沉积的数值模拟结果及分析
    3.6 本章小结
4 利用颗粒加倍与减半算法计算颗粒沉积
    4.1 颗粒加倍算法和减半算法的优势
        4.1.1 颗粒加倍算法的优势
        4.1.2 颗粒减半算法的优势
    4.2 颗粒加倍算法的思路
    4.3 颗粒减半算法的思路
    4.4 模型描述
        4.4.1 传导区几何模型
        4.4.2 数值模拟边界条件及参数的设定
        4.4.3 网格划分
    4.5 流场模拟结果及分析
    4.6 运用颗粒加倍算法与减半算法计算传导区颗粒沉积
        4.6.1 运用颗粒加倍算法计算传导区颗粒沉积
        4.6.2 运用颗粒减半算法计算传导区颗粒沉积
    4.7 运用颗粒加倍算法计算呼吸区颗粒沉积
        4.7.1 呼吸区几何模型
        4.7.2 数值模拟边界条件和参数设置
        4.7.3 数值模拟结果及分析
    4.8 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
致谢



本文编号：3828675