人體呼吸道內(nèi)可吸入顆粒物的氣固兩相流數(shù)值模擬與仿生實(shí)驗(yàn).pdf

1、可吸入顆粒物目前已成為我國(guó)大氣的主要污染物，嚴(yán)重影響人民身體健康。因此可吸入顆粒物如何被人體吸入，并在呼吸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)和沉積的過(guò)程引起了研究者的極大關(guān)注，特別是近年來(lái)納米顆粒物、吸濕性顆粒物、非球形顆粒物等熱點(diǎn)問(wèn)題的研究。準(zhǔn)確掌握可吸入顆粒物在人體呼吸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)和沉積的機(jī)理有助于認(rèn)識(shí)呼吸系統(tǒng)疾病的本質(zhì)原因，有利于指導(dǎo)吸入藥劑及吸入器研發(fā)等醫(yī)療實(shí)踐。本文通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，從多方面分析了可吸入顆粒物在呼吸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)和沉積的機(jī)理。
　　本

2、文首先采用CFD-DPM(Computational Fluid Dynamics-Discrete Phase Model)模型模擬了層流條件下可吸入顆粒物在下呼吸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和沉積過(guò)程，對(duì)比前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型精度。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了受慢性阻塞性肺病影響下的5-8級(jí)呼吸道，對(duì)比分析了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)吸氣條件下的流場(chǎng)分布、顆粒物沉積形式和沉積率。
　　通過(guò)CFD-DPM方法構(gòu)建了球形多組分可吸入顆粒物與蒸氣相互作用模型并進(jìn)行了模型驗(yàn)證

3、。通過(guò)模擬多組分吸濕性可吸入顆粒物在理想口喉模型和G3-G6級(jí)呼吸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，分析真實(shí)呼吸道濕度和溫度條件對(duì)多組分可吸入顆粒物吸濕性增長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)和沉積的影響。理想口喉模型中的模擬著重于對(duì)比干燥和濕潤(rùn)呼吸道壁面的影響，G3-G6呼吸道內(nèi)的模擬重點(diǎn)分析真實(shí)溫度和濕度分布與常用理想條件（如37℃，RH=99.5％）之間的差異。
　　開展了基于CFD-DEM(Computational Fluid Dynamics-Discrete Ele

4、ment Method)方法的球形可吸入顆粒物在G3-G5級(jí)呼吸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和沉積模擬，結(jié)果表明該區(qū)域內(nèi)的CFD-DEM模擬的沉積率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，與CFD-DPM模擬方法精度相近，首次證明CFD-DEM適用于可吸入顆粒物在人體呼吸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)和沉積的研究，同時(shí)分析了顆粒物入口位置與最終位置之間的關(guān)系。
　　為研究纖絲狀可吸入顆粒物在呼吸道內(nèi)的沉積特性，開展了實(shí)驗(yàn)研究。采用3D打印方法制作了基于Weibel呼吸道結(jié)構(gòu)的單分叉呼吸道模

5、型，在不同流量下獲得了纖絲狀顆粒物的沉積比，提出了顯微拍照-圖像處理方法分析局部顆粒物沉積特性，在呼吸道研究領(lǐng)域首次定量地得到了纖絲狀顆粒物沉積后的方向取向，在無(wú)量綱參數(shù)沉降因子γ(Sedimentation Parameter)0.0228～0.247范圍內(nèi)揭示了纖絲狀顆粒物方向角絕對(duì)值的平均值|(θ)|隨沉降因子變化的規(guī)律，分析了纖絲狀顆粒物長(zhǎng)度、流量對(duì)|(θ)|的影響，為纖絲狀可吸入顆粒物輸運(yùn)和沉積模型驗(yàn)證提供重要依據(jù)。