可吸入颗粒在肺泡中沉积的数值模拟

发布时间：2017-04-26 19:07

  本文关键词：可吸入颗粒在肺泡中沉积的数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：空气中可吸入颗粒物,在进入人体呼吸道后,有一部分没有沉积在呼吸道的传导气管上,而是深入到呼吸系统肺泡区沉积,从而导致诸多疾病,如支气管炎、肺气肿、哮喘等。另一方面,越来越多的喷雾药剂被用在治疗呼吸系统疾病中。因此,了解和认识末端呼吸系统各个结构中的流场特点以及颗粒气溶胶的运动沉积规律非常重要。本文采用计算流体力学(CFD)来模拟肺泡系统中的流场特性和颗粒的传输、沉积特性。连续相采用直接数值模拟(DNS)的方法计算,颗粒采用拉格朗日的方法追踪。主要研究内容包括以下三个部分：第一部分是探究肺泡有节奏地收缩扩张对肺泡域内的流场和颗粒相的影响。结果表明：肺泡收缩扩张使得肺泡管与肺泡内的流体更易相互流通。肺泡的收缩扩张机制对亚微米颗粒产生的作用要远大于布朗力,因此亚微米颗粒更加容易地扩散进入并沉积在弹性肺泡内。第二部分是探究肺泡弹性变形量对肺泡域内的流场和颗粒相的影响。结果表明：肺泡弹性形变量的不同对肺泡域内的流场强度以及流线分布的影响很小,几乎可以忽略。肺泡弹性形变量的不同对颗粒的传输特性的影响不大,但是对亚微米颗粒(dP≤1.0μm)的沉积分布影响显著。肺泡弹性形变量的不同对亚微米颗粒(dP≤0.1μm)以及大尺寸微米级颗粒(dP≥5.0μm)的沉积效率影响显著,对其余尺寸颗粒的沉积效率影响不大。具体表现为大弹性形变量会降低0.1μm颗粒的沉积效率,而小弹性形变量会降低5.0μm颗粒的沉积效率。第三部分是探究颗粒的尺寸以及呼吸周期等非几何因素对颗粒沉积特性的影响。亚微米颗粒的传输主要受布朗力的作用,因此在计算域内的瞬态分布相对均匀；而小尺寸微米级(1.0μm～2.5μm)颗粒主要受流场曳力的作用,因此在计算域内的瞬态分布随流场的不同而不同；而大尺寸微米级颗粒(5.0μm)主要受重力的作用,因此在计算域内偏向重力方向分布。呼吸周期对中尺寸的颗粒(1.0μm～2.0μm)的瞬态分布影响较为显著。因为呼吸周期越大,主流的速度衰减地越慢,主要受流场曳力影响的中尺寸微米级颗粒所受影响自然最为显著。而呼吸周期对多尺寸颗粒的沉积分布特性并没有显著的影响。
【关键词】：弹性肺泡 弹性变形量 动网格 直接数值模拟 可吸入颗粒
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R56;X513
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-8
• Abstract8-12
• 1 绪论12-23
• 1.1 引言12-13
• 1.2 颗粒沉积数值模拟的研究现状13-21
• 1.3 现有研究存在的不足与局限性21
• 1.4 本文的研究内容和创新点21-23
• 2 数理模型和数值方法23-36
• 2.1 肺泡区域气相流动连续介质假定合理性23-24
• 2.2 控制方程24-27
• 2.2.1 气相控制方程24
• 2.2.2 离散相控制方程24-27
• 2.3 数值方法27-32
• 2.3.1 直接数值模拟(DNS)27-28
• 2.3.2 压力修正SIMPLE算法28-29
• 2.3.3 CFD-DPM算法29-32
• 2.4 边界条件32
• 2.5 数值验证32-35
• 2.6 本章小结35-36
• 3 肺泡的收缩扩张效应对颗粒沉积特性的影响36-50
• 3.1 物理模型36-38
• 3.2 数据统计38-39
• 3.3 肺泡的收缩扩张效应对流场的影响39-43
• 3.4 肺泡的收缩扩张效应对颗粒相的影响43-46
• 3.5 刚性肺泡及弹性肺泡域内颗粒沉积的量化分析46-49
• 3.6 本章小结49-50
• 4 肺泡的弹性形变量对颗粒沉积特性的影响50-61
• 4.1 弹性形变量对流场影响的可视化结果50-54
• 4.2 肺泡弹性形变量对颗粒相影响的可视化结果54-56
• 4.2.1 肺泡弹性形变量对颗粒传输特性的影响54-55
• 4.2.2 肺泡弹性形变量对颗粒沉积特性的影响55-56
• 4.3 肺泡弹性变形量对颗粒沉积影响的统计结果56-59
• 4.4 本章小结59-61
• 5 颗粒尺寸、呼吸周期等因素对颗粒沉积特性的影响61-73
• 5.1 颗粒尺寸对颗粒相的影响61-65
• 5.1.1 颗粒尺寸对颗粒传输特性的影响61-63
• 5.1.2 颗粒尺寸对颗粒沉积特性的影响63-64
• 5.1.3 颗粒尺寸对其潜在危害率的影响64-65
• 5.2 呼吸周期对颗粒相的影响65-71
• 5.2.1 呼吸周期对颗粒传输特性的影响65-67
• 5.2.2 呼吸周期对颗粒沉积特性的影响67-71
• 5.3 本章小结71-73
• 6 全文总结与展望73-76
• 6.1 全文总结73-75
• 6.2 工作展望75-76
• 参考文献76-80
• 硕士期间研究成果及论文发表情况80

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