流固耦合作用下呼吸流涡结构演化及与气溶胶扩散转捩关系研究

被引量 : 4次 | 上传用户:qpalzm951
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
人体上呼吸道是呼吸系统的重要组成部分,是人体与外界环境进行气体交换的主要通道。随着国际生物恐怖威胁的增加、大气环境的不断恶化以及卫生防护防疫技术的发展,人体上呼吸道内气流运动与气溶胶扩散研究的重要性已越来越为人们所关注。当遭遇生物恐怖袭击时,大量的病毒气溶胶通过上呼吸道进入人体内,对人体造成极大危害;具有生物污染物防护功能的卫生舱室虽然能够对绝大部分病毒气溶胶进行有效过滤,但仍有少量有毒气溶胶进入舱室,并通过上呼吸道对人体造成危害;空气污染所导致的呼吸系统疾病的发病率逐年增加,其复杂性和严重性也日益突出,严重影响了人们的生活质量。本文通过构建人体上呼吸道三维规范模型,采用数值模拟和PIV流场可视化实验研究相结合的方法,对流固耦合作用下稳态呼吸和瞬态循环呼吸过程中上呼吸道规范模型内的气流组织、涡结构演化以及气溶胶颗粒扩散沉积进行了数值仿真研究,并进行了实验验证。主要工作及研究结果如下:构建了人体上呼吸道三维规范几何模型。运用三维重建技术和高级图像处理技术,通过上呼吸道CT扫描、个体上呼吸道三维重建、个体模型归一化处理、个体模型切片、切片图像融合处理、模型规范化处理等步骤,构建了人体上呼吸道三维规范模型,并对其进行了定性与定量分析,结果表明:与以往的简化模型相比,规范模型在几何形状真实性、结构特征完备性方面与真实人体上呼吸道更接近,在科学研究方面具有更高的应用价值。分析了人体上呼吸道内的流固耦合作用。通过构建和运用人体上呼吸道流固耦合力学模型,分析了流固耦合作用下人体上呼吸道壁面的形变状况和呼吸道内的气流组织特征,结果表明:流固耦合作用下,呼吸流量越大,呼吸道形变越大,对气流的缓冲能力越强;吸气时,咽喉部位及气管处向后方移动,咽喉部位受到气流运动的作用,出现扩张现象;呼气阶段,咽喉部位及气管处向前运动,咽喉部位受到气流运动的作用,出现收缩现象。循环吸气过程中,气流分别在咽部和喉部形成两个速度增长点,在咽部气流发生分离现象;在声门位置受到几何结构的限制,产生湍流喷射的现象;声门处的喷射致使气流在气管前壁处形成高速气流,气管后方形成流动分离现象;随着与声门距离的增加,气管前、后壁气流速度差逐渐减少。循环呼气过程中,口腔顶部贴近软腭和硬腭部位的气流速度要高于口腔底部,且在口腔顶部发生流动分离现象,形成分离区;在支气管的分叉处,气流发生交汇现象,交汇造成分叉中心处形成低速区,而交汇气流使上一级支气管中产生暂时的两个气流高速点,随后逐步合并。模拟了流固耦合作用下人体上呼吸道内的涡结构演化过程。运用大涡模拟和流固耦合数值仿真方法,对人体上呼吸道内涡结构演化过程进行了分析,结果表明:吸气过程中,气流进入口腔,硬腭部位气体与入口气流发生“互搓”,加上口腔中舌苔的阻碍,致使气流在口腔中部以及舌苔上部形成了多个涡管结构,随后受到咽部复杂结构的强烈干扰以及气道的转向,入口气流发生转捩;气流在声门部位形成强烈的射流,射流沿着气管的前壁向前发展,受到气管前壁形状的影响,在气管前壁处出现了类似于马蹄形状的“马蹄涡”。呼气过程中,气流在气管支气管的分叉处发生交汇现象,在气管的底部产生了较为复杂的涡结构,随着气流在气管内的融合,气管内的涡量逐步减弱,只剩一个能量较大的涡管沿着气道不断伸长;气流在声门处的强烈喷射以及会厌部位的阻碍使咽喉部位产生了较为复杂的涡结构,在咽喉后壁处射流受到阻碍,形成了“拱状涡”;进入口腔时,气流受到软腭阻碍、气道转向以及截面缩小的影响,一方面导致咽腔内的大的涡结构发生破裂,另一方面致使气流在咽部再次发生喷射,射流朝向口腔上部,口腔内并没有较大的涡结构产生。研究了流固耦合作用下人体上呼吸道内的气溶胶扩散沉积行为。借助Lagrangian随机轨道模型,对规范模型内的气溶胶颗粒扩散沉积进行了仿真分析,结果表明:吸气过程中,0.3m的气溶胶颗粒比6.5m的气溶胶颗粒更容易通过上呼吸道,进入更深层次的支气管中;0.3m的气溶胶颗粒更容易受到涡结构的影响,喉部后侧以及气管后部具有螺旋状轨迹的气溶胶颗粒数量更多;大多数的气溶胶颗粒将在上呼吸道模型中的涡量集中区通过。呼气过程中,部分进入上呼吸道模型的颗粒在呼出气流的夹带下,在气道中折返、回旋、沉积,而有些则从口腔中呼出,在折返的过程中,由于颗粒对于呼出气流的跟随性较好,折返的轨迹主要集中呼吸气阶段涡量集中的区域。呼吸流量30L/min和60L/min时粒径分别为0.3m和6.5m的气溶胶颗粒在喉部及气管内沉积较多,但在口腔内的沉积较少;6.5m的气溶胶颗粒在上气道不同部位的沉积率要明显高于0.3m气溶胶;在考虑流固耦合作用时,两种粒径的气溶胶颗粒在咽喉部位的沉积率均有所下降;粒径为6.5m气溶胶的主要沉积机理是惯性碰撞,而粒径为0.3m的气溶胶的沉积却主要受到湍流扩散及涡流夹带的影响。开展了人体上呼吸道内气流组织、涡结构演化及气溶胶沉积的可视化实验。利用激光固化快速成型(Stereolithography,SL)技术制备了人体上呼吸道三维规范实物模型,并运用流场可视化测试(Particle Image Velocity,PIV)技术对其内部气流组织、涡结构演化及气溶胶沉积进行了实验测量,将实验测量结果与仿真结果进行对照,从而验证了数值仿真方法的正确性,结果表明:实验测量结果与仿真结果整体气流组织形式较为一致,实验中最大速度为10.24m/s,仿真中最大速度为9.55m/s,且测量数值与仿真数值误差最大不超过8%,气溶胶颗粒在人体上呼吸道内各部位的沉积趋势基本一致,吻合较好,从而说明数值仿真方法的准确性。
其他文献
目的调查本科护生情绪智力、专业自我概念及关怀能力的状况和三者之间关系。方法便利抽样选取湖南某医学院校本科大一至大三护生559名,采用情绪智力问卷、专业自我概念问卷及
<正> 纠纷处理(第23条) 对当事人之间的纠纷的处理方法是判决和仲裁。由于国际贸易合同的纠纷,以仲裁解决比较合适,因此经销合同一般也要设置仲裁条款。这是出于以下理由: 1
一元二次方程的应用执教:宝鸡电力设备厂子校许满成点评:宝鸡市教委教研室赵云山(注:本节课为《一元二次方程的应用》第1课时,在“陕西省首届青年数学教师优秀课观摩与评比”中获一
目的:建立测定盐酸氮芥酊含量的方法。方法:采用气相色谱法,并与原标准方法(滴定法)结果进行比较。色谱柱为DB-225毛细管,氢火焰离子化检测器温度为250℃,采用程序升温,载气
本文通过对我区儿童钢琴启蒙教育在教材选择和运用方面进行了分析与思考,针对存在的问题提出了一些建议,并且向大家推荐了几本好的教材和使用方法。旨在良好传统的基础上使得
目的探讨管床医生与责任护士联合查房对医护记录、护理级别、患者满意度的影响。方法选择本院泌尿外科作试点科室,2014年3—5月387例住院患者采用传统查房模式进行查房(传统
为筛选出自然繁殖能力不同的烟草种质资源供育种者选择使用,对127个烟草种质资源在不套袋、不疏花、不疏果的情况下进行自然留果数试验,分单株进行收种,所收的蒴果按不同的成
21世纪企业的竞争 ,归根结底就是人才竞争。导游员是旅行社企业的主体 ,实现对导游员的科学管理 ,掌握导游员在工作过程中的心理活动规律和个性心理显得非常重要 ,它是旅行社
目的探讨术后外周血中性粒细胞/淋巴细胞比值(NLR)变化在预测肝细胞肝癌切除术后患者预后的价值。方法回顾性分析2007年1月至2009年12月在中山大学孙逸仙纪念医院肝胆外科根
本研究利用盆栽方法,对平展型和紧凑型玉米苗期根系性状及其与地上部的相关性进行了研究。结果表明,2种株型根系生物量与地上部生物量、地上部绿叶面积均呈显著正相关。与平