肺腺泡内三维流场特性及细颗粒物沉积的数值模拟研究

发布时间：2017-07-31 16:18

  本文关键词：肺腺泡内三维流场特性及细颗粒物沉积的数值模拟研究

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【摘要】：可吸入颗粒物在人体进行呼吸的过程中会随空气进入人体,并沉积在呼吸道表面,对人体呼吸系统造成危害。近年来,随着环境空气污染越来越严重,呼吸系统疾病、心脑血管疾病等的发病率和死亡率也急剧增加,特别是细颗粒物会随着气流进入呼吸系统的肺腺泡区并沉积在此,甚至会穿透肺泡壁进入人体血液循环系统,进而影响心脏、大脑等重要器官,危害非常大。此外,可吸入疗法作为目前很有发展前途的治疗呼吸系统疾病的方法,对于如何使可吸入药物颗粒物更有效的到达病灶区,提高治疗效果也值得研究。因此,研究肺腺泡区细颗粒物的沉积对肺部疾病的预防、治疗及可吸入疗法的发展都具有重要意义。目前,由于人体肺腺泡部位的真实生理结构具有尺度小(微米量级),肺泡数量多(3-4亿),结构复杂等特点,通过实验手段(如CT扫描)难以对其进行探测,目前仅存在组织学上的平面切片图形。此外,人体在呼吸过程中肺泡是变化的,这也增加了数值模拟的难度。本文在呼吸生理学和人体肺腺泡结构研究的基础上,以Weibel A模型为基础,通过假设和简化,建立了三维肺腺泡几何模型,通过动网格技术实现肺泡的动态变化。对空气流动和颗粒的传输分别采用欧拉法和拉格朗日法进行研究,其控制方程分别为气体流动的N-S方程和牛顿第二定律方程,在多物理场耦合软件COMSOL 4.3a平台上对三种不同呼吸状态下的空气流动和颗粒沉积进行了数值模拟计算。主要研究了肺腺泡区的整体流场特性,不同呼吸状态与不同肺腺泡级数肺泡内的流线形态,对0.05-3μm范围内不同颗粒粒径、不同密度及不同呼吸周期下的颗粒沉积率进行了统计分析。研究结果表明,三维肺腺泡内的模拟换气量与真实呼吸换气量在同一数量级,肺内压降随肺腺泡级数的增加而减小;通过对不同级数肺泡内的流线形态进行观察对比,可知肺泡内的流线形态仅与肺泡所处的肺腺泡级数有关,即仅与肺腺泡的几何结构有关,流线形态随着肺腺泡级数的增加呈现从循环状向放射状的变化。在忽略布朗力情况下,颗粒沉积率随颗粒粒径的增大而增大;重力沉降对1-3μm的颗粒沉积率影响较大,对0.05-0.5μm颗粒沉积率的影响可忽略。颗粒密度对0.05-0.5μm颗粒沉积率的影响可忽略,1-3μm颗粒沉积率随密度的增大呈线性增大。0.5μm、1μm、2μm颗粒的沉积率随呼吸时间的增大呈线性增大。将本文三维模型下颗粒物的沉积率和文献中二维模型沉积率进行对比,得出三维模型中颗粒物的沉积率整体高于二维模型的结论,引入颗粒沉积增长率分析了不同模型对不同粒径颗粒沉积率影响的大小,发现三维肺腺泡模型对大粒径颗粒物沉积率的影响大于对粒径小的颗粒物沉积率的影响。
【关键词】：肺腺泡 动网格 气流特性 细颗粒物沉积 数值模拟
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R122
【目录】：

• 摘要3-5
• 英文摘要5-7
• 主要符号表7-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 可吸入颗粒物的分类及我国PM2.5 污染现状10-11
• 1.1.2 可入肺颗粒物对人体健康的危害11-12
• 1.1.3 可吸入颗粒物的清除机制及可吸入疗法12-14
• 1.2 国内外研究现状14-15
• 1.3 研究目的及内容15-17
• 2 呼吸系统简介17-21
• 2.1 人体肺部及肺腺泡结构17-18
• 2.2 人体呼吸机理18-19
• 2.3 肺泡动力学机制19-21
• 3 肺腺泡区数值模拟的基本理论21-33
• 3.1 空气流动理论21-23
• 3.1.1 空气的基本性质21-22
• 3.1.2 空气流动控制方程22
• 3.1.3 表征空气流动的无量纲参数22-23
• 3.2 颗粒物传输和沉积机制23-30
• 3.2.1 颗粒物运动分析23-27
• 3.2.2 表征颗粒运动的无量纲数及颗粒沉积机理27-29
• 3.2.3 颗粒物的数值模拟方法29-30
• 3.3 二维肺腺泡区数值模拟情况30-33
• 4 肺腺泡区气体流动的数值模拟33-45
• 4.1 人体肺腺泡模型33-36
• 4.2 流场的模拟36-38
• 4.2.1 边界条件设定36-37
• 4.2.2 网格无关性检验37-38
• 4.2.3 网格质量38
• 4.3 流场模拟结果38-43
• 4.3.1 T/8 和T/4 时刻气流运动特性39-41
• 4.3.2 肺腺泡内通流特性的研究41-42
• 4.3.3 肺腺泡各级肺泡内流线形态42-43
• 4.3.4 呼吸状态对肺泡内流线形态的影响43
• 4.4 本章小结43-45
• 5 肺腺泡区颗粒沉积的数值模拟45-53
• 5.1 研究内容45
• 5.2 数值模拟45-47
• 5.2.1 肺腺泡部位颗粒沉积的数值模拟46
• 5.2.2 边界条件设定46
• 5.2.3 颗粒物的沉积评估参数46-47
• 5.3 肺腺泡部位颗粒沉积的数值模拟结果及分析47-52
• 5.3.1 颗粒粒径对颗粒物整体沉积率的影响47-48
• 5.3.2 3 种不同密度颗粒物的整体沉积率48-50
• 5.3.3 多呼吸周期下颗粒物的整体沉积率50-51
• 5.3.4 二维与三维肺腺泡中沉积率对比51-52
• 5.4 本章小结52-53
• 6 结论与展望53-55
• 6.1 结论53-54
• 6.2 展望54-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-58

【参考文献】

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1 魏素灵;;简述PM2.5对人体健康的影响[J];资源节约与环保;2014年01期

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本文编号：600026