人体上呼吸道内颗粒物-气体两相流动模拟研究
发布时间：2021-12-22 22:28
人体通过呼吸系统与外界系统进行气体交换,颗粒物伴随吸气动作的进行被吸入人体并在上呼吸道内发生沉积或继续向下级呼吸道运动。有关于颗粒物在上呼吸道内的运动和沉积研究实际上是多相流动研究在医药领域的重要应用,不仅可以了解上呼吸道感染的原因、病毒传播的过程、雾霾对人体健康的影响,还可以为上呼吸道疾病的治疗、吸入式给药提供相应的理论及模拟依据,同时也利于多相流动机理研究的发展。本文首先根据CT（Computerized Tomograph）拍摄的上呼吸道三维影像进行三维影像数据重构,建立了真实完整的上呼吸道模型,精确地反应上呼吸道内的几何结构。采用基于欧拉—拉格朗日方法的气固两相流动的数学模型对颗粒物在上呼吸道内的气固两相流动进行研究。基于上述方法探究了不同吸气流量下稳定吸气状态的上呼吸道内流场特性,并对比分析了循环呼吸状态下的气流场特征。由于上呼吸道内几何结构的复杂性,随着呼吸动作的进行,气流在某些截面突然缩小的区域会产生涡旋和回流结构,同时由于气流喷射会产生速度的极大值,而随入口气流量的增大呼吸道内的气流扰动增大、涡旋和回流结构更加明显。在流场计算的基础上,研究了吸气流量、颗粒粒径、颗粒密度...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
呼吸系统示意图[3]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-a)USP口喉模型[4]b)理想化的口喉模型[5]c)高度理想化的口喉模型[6]图1-2口喉模型一般来说，学者针对呼吸道内流动的研究都是分段、分级进行的。常见的口喉区域的理想化模型有三种：USP口喉模型[4]、理想化的口喉模型[5]、高度理想化的口喉模型[6]，如图1-2所示。其中理想化的口喉模型捕捉到了真实胸外气道的基本解剖特征（如图1-2b），在数值模拟及体外实验研究上都得到了广泛的应用（Johnstone[7]等；NicolaouandZaki[8]等）。对于气管及支气管的研究，其中最常用的模型是Weibel[9]在《MorphometryoftheHumanLung》一书中提出的Weibel-23级模型，按照呼吸道的对称情况分为了对称及非对称模型，同时按照呼吸道分叉是否对称分为了共平面模型及非共平面模型。Kim[10]等用玻璃管制成的G3-G5呼吸道模型实验研究了气溶胶粒子的沉积特性，其中采用了共平面模型（如图1-3a）、非平面模型（如图1-3b）两种模型。Comer[11]等利用与Kim[10]等相同的几何构型，以均匀的、层流的、稳定的、具有对称性的空气流动为假设条件，数值模拟了吸入颗粒物的稀释悬浮液的沉积模式和效率，将所得结果与Kim等的实验数据进行比较，结果吻合较好，发现非共面结构的沉积效率大于共面结构；第一分支的沉积效率总是大于第二分支的沉积效率，而且大部分沉积发生在隆突区域；对于非共平面模型，由于第一个分叉产生的流体高度不均匀，导致第二级分叉的沉积不对称程度增加，且对分叉方向极为敏感。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-a)共平面模型b)非共平面模型图1-3G3-G5呼吸道模型[10]曾敏捷[12]首次根据Alberta几何模型及Weibel共平面模型中的气管—支气管模型，建立了从口腔到第三级支气管的三维几何模型。Feng等[13]模拟了不同四级呼吸道（G3-G6、G6-G9、G9-G12）中微米颗粒的输运、相互作用和沉积动力学。陈晓乐[14]运用数值模拟及实验方法系统的分段研究了口喉、各级支气管（包括G0-G1、G3-G6、G5-G8、G11-G14）内气固两相流动，选取了球形颗粒物和纤丝状颗粒物研究其在稳态及非稳态状态下的沉积。1.2.1.2真实呼吸道模型几何模型的不同对气道内流动动力学及气溶胶沉积具有明显的影响，理想模型不能完全的捕捉到全部几何信息，因此需要更加真实的模型来准确捕获局部气流结构和沉积特征。随着现代科技的逐渐发展，利用3D计算机断层扫描（ComputerizedTomography，CT）和核磁共振（MagneticResonanceImaging，MRI）成像，可获得呼吸道和肺部的高分辨3D图像，然后通过图像进行数字重建建立几何模型[15]，后续可通过软件进行网格划分从而用于体内、体外的研究。人体呼吸道具有各异性、复杂性，在研究整体呼吸道或者鼻腔区域内的流动时常采用真实的模型。Jayaraju[16]等采用Sension16CT扫描仪对5名健康的从不吸烟男性进行多
本文编号：3547217
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
呼吸系统示意图[3]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-a)USP口喉模型[4]b)理想化的口喉模型[5]c)高度理想化的口喉模型[6]图1-2口喉模型一般来说，学者针对呼吸道内流动的研究都是分段、分级进行的。常见的口喉区域的理想化模型有三种：USP口喉模型[4]、理想化的口喉模型[5]、高度理想化的口喉模型[6]，如图1-2所示。其中理想化的口喉模型捕捉到了真实胸外气道的基本解剖特征（如图1-2b），在数值模拟及体外实验研究上都得到了广泛的应用（Johnstone[7]等；NicolaouandZaki[8]等）。对于气管及支气管的研究，其中最常用的模型是Weibel[9]在《MorphometryoftheHumanLung》一书中提出的Weibel-23级模型，按照呼吸道的对称情况分为了对称及非对称模型，同时按照呼吸道分叉是否对称分为了共平面模型及非共平面模型。Kim[10]等用玻璃管制成的G3-G5呼吸道模型实验研究了气溶胶粒子的沉积特性，其中采用了共平面模型（如图1-3a）、非平面模型（如图1-3b）两种模型。Comer[11]等利用与Kim[10]等相同的几何构型，以均匀的、层流的、稳定的、具有对称性的空气流动为假设条件，数值模拟了吸入颗粒物的稀释悬浮液的沉积模式和效率，将所得结果与Kim等的实验数据进行比较，结果吻合较好，发现非共面结构的沉积效率大于共面结构；第一分支的沉积效率总是大于第二分支的沉积效率，而且大部分沉积发生在隆突区域；对于非共平面模型，由于第一个分叉产生的流体高度不均匀，导致第二级分叉的沉积不对称程度增加，且对分叉方向极为敏感。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-a)共平面模型b)非共平面模型图1-3G3-G5呼吸道模型[10]曾敏捷[12]首次根据Alberta几何模型及Weibel共平面模型中的气管—支气管模型，建立了从口腔到第三级支气管的三维几何模型。Feng等[13]模拟了不同四级呼吸道（G3-G6、G6-G9、G9-G12）中微米颗粒的输运、相互作用和沉积动力学。陈晓乐[14]运用数值模拟及实验方法系统的分段研究了口喉、各级支气管（包括G0-G1、G3-G6、G5-G8、G11-G14）内气固两相流动，选取了球形颗粒物和纤丝状颗粒物研究其在稳态及非稳态状态下的沉积。1.2.1.2真实呼吸道模型几何模型的不同对气道内流动动力学及气溶胶沉积具有明显的影响，理想模型不能完全的捕捉到全部几何信息，因此需要更加真实的模型来准确捕获局部气流结构和沉积特征。随着现代科技的逐渐发展，利用3D计算机断层扫描（ComputerizedTomography，CT）和核磁共振（MagneticResonanceImaging，MRI）成像，可获得呼吸道和肺部的高分辨3D图像，然后通过图像进行数字重建建立几何模型[15]，后续可通过软件进行网格划分从而用于体内、体外的研究。人体呼吸道具有各异性、复杂性，在研究整体呼吸道或者鼻腔区域内的流动时常采用真实的模型。Jayaraju[16]等采用Sension16CT扫描仪对5名健康的从不吸烟男性进行多
本文编号：3547217
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