基于CFD的COPD患者肺部气道内空气流动特性研究

发布时间：2017-10-01 00:21

  本文关键词：基于CFD的COPD患者肺部气道内空气流动特性研究

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【摘要】：阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一种具有气流受限特征的肺部疾病,近年来已经成为一种常见肺部的疾病。此疾病具有较高的发病率,,高死亡率以及治疗效果不佳的特点,给患者本人及家庭带来了经济负担。临床上利用肺功能检查获得肺气管的部分评估参数,但对于获取气体在人体气道内的流速,壁面剪切应力,流量在各级支气管的分配等力学参数仍然存在缺陷。本文的主要目的是考察COPD患者气道同健康人体气道的差异。从形态学,物理学,数学的角度揭示COPD疾病的发病机理。本文引入了计算流体动力学(computed fluid dynamics,CFD)方法研究人体气道空气流动的流动特性,以CT扫描技术为基础,利用连续的,完整的断层CT图像通过Mimics软件重建出人体气道的三维几何模型。并将几何模型转化成X_t格式文件后导入ANSYS Workbench进行模拟仿真。本研究选取4例COPD患者和一例健康研究对象作为对照组,假设气道壁面为刚性壁面,空气为牛顿气体,结合个性化的呼吸参数,选用速度入口边界条件,压力出口边界条件,选择标准k-ε湍流模型,获得能反映空气在气管内的流动特性的相关参数。包括空气的流动速度,壁面压力,壁面剪切力,气道移动方向,流量分布等,通过分析以上参数揭示气道的通气功能。研究获得的主要结果如下。(1)同健康研究对象相比,COPD患者气道均存在不同程度的扭曲变形。(2)实现正常生理通气功能所需的压降值更高。对于正常研究对象气道内压降为2.20Pa,而对于COPD患者气道压降分别为14.2Pa,21.9Pa,17.89Pa,27.31Pa,远高于健康对照组。(3)COPD患者气道壁面压力,壁面剪切应力相对于健康对照组分布更加不均匀。(4)COPD患者气道狭窄区域内有较高的流速,较低的壁面压力,较高的壁面剪切应力。(5)最大壁面压力出现在入口处。(6)五个研究对象的右侧出口面积比例依次为0.638,0.57,0.614,0.702,0.606,与之相对应的出口面积比例依次为0.7,,0.609,0.612,0.763,0.643,由数值拟合曲线可得出口流量比例与出口面积比例具有相关性,且相关系数为0.99。
【关键词】：计算流体力学 慢性阻塞性肺疾病 流体仿真 ANSYS Workbench
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R563.9
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.3 本文研究内容14-18
• 1.3.1 研究内容14-15
• 1.3.2 技术路线15-16
• 1.3.3 本文的组织16-18
• 第2章 流体力学与计算流体力学基础18-34
• 2.1 引言18
• 2.2 流体的性质18-21
• 2.2.1 密度18
• 2.2.2 粘性18-20
• 2.2.3 马赫数20-21
• 2.2.4 压缩性21
• 2.3 流体流动分类21-23
• 2.3.1 理想流体与粘性流体21
• 2.3.2 牛顿流体与非牛顿流体21-22
• 2.3.3 可压流体与不可压流体22
• 2.3.4 层流与湍流22-23
• 2.3.5 定常流动与非定常流动23
• 2.4 流体运动的描述23-25
• 2.4.1 拉格朗日法24
• 2.4.2 欧拉法24-25
• 2.5 CFD25-32
• 2.5.1 CFD基本控制方程26-27
• 2.5.2 CFD算法27-29
• 2.5.3 湍流模型29-31
• 2.5.4 CFD常用软件——FLUENT31-32
• 2.6 本章小结32-34
• 第3章 基于MIMICS的人体气道三维重建34-42
• 3.1 概述34-35
• 3.2 材料数据和MIMICS三维重建35-40
• 3.2.1 材料数据35-36
• 3.2.2 基于MIMICS的人体气道树三维重建36-40
• 3.3 结果讨论40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 COPD患者气道的空气动力学仿真42-68
• 4.1 概述42-43
• 4.1.1 COPD临床诊断42-43
• 4.1.2 几何体导入43
• 4.2 网格划分43-48
• 4.2.1 网格划分的方法和步骤43-46
• 4.2.2 网格质量评估46-48
• 4.3 仿真计算48-54
• 4.3.1 流体性质确定48-49
• 4.3.2 求解器设置49
• 4.3.3 边界条件设置49-51
• 4.3.4 离散方法选取计算结果收敛判定51-54
• 4.4 结果讨论54-65
• 4.4.1 结构特征54-55
• 4.4.2 流量及压降55-59
• 4.4.3 壁面压力,剪切应力及相关速度59-65
• 4.5 讨论65-67
• 4.6 本章小结67-68
• 第5章 总结与展望68-72
• 5.1 总结68-69
• 5.2 局限与不足69
• 5.3 展望69-72
• 参考文献72-76
• 致谢76

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本文编号：951260