人体呼吸道有限元模型及其对气道局部收缩时气体流动的数值模拟计算

发布时间：2017-04-17 10:01

  本文关键词：人体呼吸道有限元模型及其对气道局部收缩时气体流动的数值模拟计算，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：支气管哮喘是一种慢性的呼吸道疾病，正逐渐成为危害人类身体健康的重大难题。尤其是在包括中国在内的发展中国家发病势头上升迅猛，哮喘病导致的死亡率也日益增长，哮喘病给全世界造成的经济损失已经超过艾滋病和肺结核所造成的经济损失的总和。但哮喘病的病因与其发展机理至今还没有得到完全的认知。 哮喘以气道结构改变和气道对收缩刺激因素的高反应性为病理特征，即气道重塑和气道高反应性。肺气管具有十分复杂的解剖结构，包括各级分支不断变化的直径、长度等形态学变化，在正常与病理条件下，气道各级结构还会发生不均匀的收缩和扩张，从而导致气道中复杂的气体流动情况。尽管Weibel，Horsfield等对人类肺形态和气道解剖结构做了大量研究，但如何将复杂的气道几何学，气道内流动的气体与变动的气道壁进行耦合，以建立人类呼吸系统的计算生物力学模型，以模拟气道内气体的流动和物质传输等仍具有挑战性。 计算流体力学（Computational Fluid Dynamics CFD）是一种有限元分析方法，主要求解的是纳维-斯托克斯（Navier-Stokes N-S）方程，即将整个流体、燃烧等过程分散成在微小尺度内关于基本流体假设成立的多个方程，并通过最终联立求解的计算过程。是运用计算机和离散化的数值分析计算方法对流体问题进行模拟并分析计算的方法。 本文根据Horsfield、Tawhai呼吸道气道模型参数，运用AutoCAD、SolidWorks工程软件，建立人类呼吸道气道理论模型，将理论模型结构导入COMSOLMultiphysics仿真系统，并对G0气道局部区域施加模拟局部收缩，通过对G0气道流体入口速率与收缩内径阻塞范围变化，运用CFD进行整个G0-G3气道内的流体流场分析与数值分析。数值模拟的结果表明，采用以上方法建立的呼吸道有限元理论模型，可以得到气道收缩过程中呼吸道内流体流速分布、流场线动态变化、气道管壁压力分布，而当呼吸道内径阻塞范围超过1/3管径和下呼吸道入口流体流速达到一定数值的时候，气道的收缩区域内开始出现流体流场线回旋，同时收缩区域管壁压力增大。本文虽是针对人体呼吸道气道建立的生物力学模型，，但其基本的技术操作平台和模拟方法同样适用于其他关于流体运动的生物力学行为的研究，具有一定的应用价值。
【关键词】：生物力学 CFD 呼吸道模型
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R562.25
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-17
• 1.1 问题的提出及研究意义8-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.3 本文研究的目的和内容14-16
• 1.3.1 研究目的14-15
• 1.3.2 研究内容15-16
• 1.4 技术路线16-17
• 2 呼吸生物力学模型理论17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 呼吸道的结构与功能17-20
• 2.2.1 呼吸系统的结构和功能17-18
• 2.2.2 呼吸道气道18-20
• 2.3 呼吸生物力学20-25
• 2.3.1 呼吸动力机制20
• 2.3.2 呼吸道气体流动状态20-22
• 2.3.3 呼吸道流体力学原理22-25
• 3 呼吸道参数及几何模型重构25-32
• 3.1 引言25-26
• 3.2 呼吸道几何参数26-27
• 3.3 几何形态模型重构27-31
• 3.3.1 AutoCAD 与二维几何形态结构模型27-29
• 3.3.2 SolidWorks 与三位几何形态结构模型29-31
• 3.4 小结31-32
• 4 三维人体下呼吸道呼吸模拟32-44
• 4.1 引言32
• 4.2 三维人体下呼吸道模拟32-38
• 4.2.1 呼吸道模型导入33-34
• 4.2.2 呼吸道模型参数选取、控制方程和边界条件34-36
• 4.2.3 呼吸道模型网格划分36-37
• 4.2.4 呼吸道模型求解器参数设定37-38
• 4.3 正常呼吸状态下呼吸道模型后处理及分析38-43
• 4.3.1 正常呼吸状态下呼吸道模型流体流速分布38-41
• 4.3.2 正常呼吸状态下呼吸道模型管壁压力分布41-43
• 4.4 小结43-44
• 5 正常呼吸状态下呼吸道收缩模拟44-58
• 5.1 引言44-45
• 5.2 正常呼吸状态下呼吸道收缩模拟45-50
• 5.3 正常呼吸状态下呼吸道收缩模拟后处理及分析50-56
• 5.3.1 正常呼吸状态下呼吸道收缩模拟流体流场及速度分布50-55
• 5.3.2 正常呼吸状态下呼吸道收缩模拟边界压力分布55-56
• 5.4 小结56-58
• 6 总结与展望58-60
• 6.1 总结58
• 6.2 后续与展望58-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-64

【参考文献】

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1 刘迎曦;于驰;孙秀珍;于申;张军;王吉U

本文编号：312953