本文關(guān)鍵詞：基于CFD的COPD患者肺部氣道內(nèi)空氣流動特性研究

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【摘要】：阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)是一種具有氣流受限特征的肺部疾病,近年來已經(jīng)成為一種常見肺部的疾病。此疾病具有較高的發(fā)病率,,高死亡率以及治療效果不佳的特點,給患者本人及家庭帶來了經(jīng)濟負擔(dān)。臨床上利用肺功能檢查獲得肺氣管的部分評估參數(shù),但對于獲取氣體在人體氣道內(nèi)的流速,壁面剪切應(yīng)力,流量在各級支氣管的分配等力學(xué)參數(shù)仍然存在缺陷。本文的主要目的是考察COPD患者氣道同健康人體氣道的差異。從形態(tài)學(xué),物理學(xué),數(shù)學(xué)的角度揭示COPD疾病的發(fā)病機理。本文引入了計算流體動力學(xué)(computed fluid dynamics,CFD)方法研究人體氣道空氣流動的流動特性,以CT掃描技術(shù)為基礎(chǔ),利用連續(xù)的,完整的斷層CT圖像通過Mimics軟件重建出人體氣道的三維幾何模型。并將幾何模型轉(zhuǎn)化成X_t格式文件后導(dǎo)入ANSYS Workbench進行模擬仿真。本研究選取4例COPD患者和一例健康研究對象作為對照組,假設(shè)氣道壁面為剛性壁面,空氣為牛頓氣體,結(jié)合個性化的呼吸參數(shù),選用速度入口邊界條件,壓力出口邊界條件,選擇標(biāo)準k-ε湍流模型,獲得能反映空氣在氣管內(nèi)的流動特性的相關(guān)參數(shù)。包括空氣的流動速度,壁面壓力,壁面剪切力,氣道移動方向,流量分布等,通過分析以上參數(shù)揭示氣道的通氣功能。研究獲得的主要結(jié)果如下。(1)同健康研究對象相比,COPD患者氣道均存在不同程度的扭曲變形。(2)實現(xiàn)正常生理通氣功能所需的壓降值更高。對于正常研究對象氣道內(nèi)壓降為2.20Pa,而對于COPD患者氣道壓降分別為14.2Pa,21.9Pa,17.89Pa,27.31Pa,遠高于健康對照組。(3)COPD患者氣道壁面壓力,壁面剪切應(yīng)力相對于健康對照組分布更加不均勻。(4)COPD患者氣道狹窄區(qū)域內(nèi)有較高的流速,較低的壁面壓力,較高的壁面剪切應(yīng)力。(5)最大壁面壓力出現(xiàn)在入口處。(6)五個研究對象的右側(cè)出口面積比例依次為0.638,0.57,0.614,0.702,0.606,與之相對應(yīng)的出口面積比例依次為0.7,,0.609,0.612,0.763,0.643,由數(shù)值擬合曲線可得出口流量比例與出口面積比例具有相關(guān)性,且相關(guān)系數(shù)為0.99。
【關(guān)鍵詞】：計算流體力學(xué) 慢性阻塞性肺疾病 流體仿真 ANSYS Workbench
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R563.9
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3 本文研究內(nèi)容14-18
• 1.3.1 研究內(nèi)容14-15
• 1.3.2 技術(shù)路線15-16
• 1.3.3 本文的組織16-18
• 第2章 流體力學(xué)與計算流體力學(xué)基礎(chǔ)18-34
• 2.1 引言18
• 2.2 流體的性質(zhì)18-21
• 2.2.1 密度18
• 2.2.2 粘性18-20
• 2.2.3 馬赫數(shù)20-21
• 2.2.4 壓縮性21
• 2.3 流體流動分類21-23
• 2.3.1 理想流體與粘性流體21
• 2.3.2 牛頓流體與非牛頓流體21-22
• 2.3.3 可壓流體與不可壓流體22
• 2.3.4 層流與湍流22-23
• 2.3.5 定常流動與非定常流動23
• 2.4 流體運動的描述23-25
• 2.4.1 拉格朗日法24
• 2.4.2 歐拉法24-25
• 2.5 CFD25-32
• 2.5.1 CFD基本控制方程26-27
• 2.5.2 CFD算法27-29
• 2.5.3 湍流模型29-31
• 2.5.4 CFD常用軟件——FLUENT31-32
• 2.6 本章小結(jié)32-34
• 第3章 基于MIMICS的人體氣道三維重建34-42
• 3.1 概述34-35
• 3.2 材料數(shù)據(jù)和MIMICS三維重建35-40
• 3.2.1 材料數(shù)據(jù)35-36
• 3.2.2 基于MIMICS的人體氣道樹三維重建36-40
• 3.3 結(jié)果討論40-41
• 3.4 本章小結(jié)41-42
• 第4章 COPD患者氣道的空氣動力學(xué)仿真42-68
• 4.1 概述42-43
• 4.1.1 COPD臨床診斷42-43
• 4.1.2 幾何體導(dǎo)入43
• 4.2 網(wǎng)格劃分43-48
• 4.2.1 網(wǎng)格劃分的方法和步驟43-46
• 4.2.2 網(wǎng)格質(zhì)量評估46-48
• 4.3 仿真計算48-54
• 4.3.1 流體性質(zhì)確定48-49
• 4.3.2 求解器設(shè)置49
• 4.3.3 邊界條件設(shè)置49-51
• 4.3.4 離散方法選取計算結(jié)果收斂判定51-54
• 4.4 結(jié)果討論54-65
• 4.4.1 結(jié)構(gòu)特征54-55
• 4.4.2 流量及壓降55-59
• 4.4.3 壁面壓力,剪切應(yīng)力及相關(guān)速度59-65
• 4.5 討論65-67
• 4.6 本章小結(jié)67-68
• 第5章 總結(jié)與展望68-72
• 5.1 總結(jié)68-69
• 5.2 局限與不足69
• 5.3 展望69-72
• 參考文獻72-76
• 致謝76

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本文編號：951260