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、布朗力、静电力等对单组分颗粒运动和沉积的影响。研究结果表明:随气流的吸入,颗粒进入上呼吸道内并发生沉积,大部分颗粒沉积在鼻腔区域,颗粒的沉积与流场变化存在关联,流场速度较大处颗粒沉积数量越多,涡流结构较明显的区域颗粒沉积数量较少;不同粒径的颗粒在不同吸气流量下产生不同的沉积效果,粒径为5μm的颗粒一般处于沉积率和逃逸率变化的拐点,粒径小于5μm的颗粒随粒径增大沉积率降低、逃逸率升高;当颗粒密度增大时,颗粒沉积的聚集程随之增大;布朗力、静电力对小粒径颗粒的运动和沉积影响更大。最后,改变输送颗粒粒径分布混合输送多组分颗粒,发现:粒径越大的颗粒在鼻腔入口和咽喉区域的沉积越密集,大颗粒少部分沉积于咽喉区域的后壁面,而小颗粒多沉积于咽喉区域的前壁面且更易于向下级呼吸道流动。