發(fā)布時間：2021-12-22 22:28

　　人體通過呼吸系統(tǒng)與外界系統(tǒng)進行氣體交換,顆粒物伴隨吸氣動作的進行被吸入人體并在上呼吸道內(nèi)發(fā)生沉積或繼續(xù)向下級呼吸道運動。有關(guān)于顆粒物在上呼吸道內(nèi)的運動和沉積研究實際上是多相流動研究在醫(yī)藥領(lǐng)域的重要應(yīng)用,不僅可以了解上呼吸道感染的原因、病毒傳播的過程、霧霾對人體健康的影響,還可以為上呼吸道疾病的治療、吸入式給藥提供相應(yīng)的理論及模擬依據(jù),同時也利于多相流動機理研究的發(fā)展。本文首先根據(jù)CT（Computerized Tomograph）拍攝的上呼吸道三維影像進行三維影像數(shù)據(jù)重構(gòu),建立了真實完整的上呼吸道模型,精確地反應(yīng)上呼吸道內(nèi)的幾何結(jié)構(gòu)。采用基于歐拉—拉格朗日方法的氣固兩相流動的數(shù)學(xué)模型對顆粒物在上呼吸道內(nèi)的氣固兩相流動進行研究�；谏鲜龇椒ㄌ骄苛瞬煌鼩饬髁肯路�(wěn)定吸氣狀態(tài)的上呼吸道內(nèi)流場特性,并對比分析了循環(huán)呼吸狀態(tài)下的氣流場特征。由于上呼吸道內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,隨著呼吸動作的進行,氣流在某些截面突然縮小的區(qū)域會產(chǎn)生渦旋和回流結(jié)構(gòu),同時由于氣流噴射會產(chǎn)生速度的極大值,而隨入口氣流量的增大呼吸道內(nèi)的氣流擾動增大、渦旋和回流結(jié)構(gòu)更加明顯。在流場計算的基礎(chǔ)上,研究了吸氣流量、顆粒粒徑、顆粒密度... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

呼吸系統(tǒng)示意圖[3]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-a)USP口喉模型[4]b)理想化的口喉模型[5]c)高度理想化的口喉模型[6]圖1-2口喉模型一般來說，學(xué)者針對呼吸道內(nèi)流動的研究都是分段、分級進行的。常見的口喉區(qū)域的理想化模型有三種：USP口喉模型[4]、理想化的口喉模型[5]、高度理想化的口喉模型[6]，如圖1-2所示。其中理想化的口喉模型捕捉到了真實胸外氣道的基本解剖特征（如圖1-2b），在數(shù)值模擬及體外實驗研究上都得到了廣泛的應(yīng)用（Johnstone[7]等；NicolaouandZaki[8]等）。對于氣管及支氣管的研究，其中最常用的模型是Weibel[9]在《MorphometryoftheHumanLung》一書中提出的Weibel-23級模型，按照呼吸道的對稱情況分為了對稱及非對稱模型，同時按照呼吸道分叉是否對稱分為了共平面模型及非共平面模型。Kim[10]等用玻璃管制成的G3-G5呼吸道模型實驗研究了氣溶膠粒子的沉積特性，其中采用了共平面模型（如圖1-3a）、非平面模型（如圖1-3b）兩種模型。Comer[11]等利用與Kim[10]等相同的幾何構(gòu)型，以均勻的、層流的、穩(wěn)定的、具有對稱性的空氣流動為假設(shè)條件，數(shù)值模擬了吸入顆粒物的稀釋懸浮液的沉積模式和效率，將所得結(jié)果與Kim等的實驗數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果吻合較好，發(fā)現(xiàn)非共面結(jié)構(gòu)的沉積效率大于共面結(jié)構(gòu)；第一分支的沉積效率總是大于第二分支的沉積效率，而且大部分沉積發(fā)生在隆突區(qū)域；對于非共平面模型，由于第一個分叉產(chǎn)生的流體高度不均勻，導(dǎo)致第二級分叉的沉積不對稱程度增加，且對分叉方向極為敏感。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-a)共平面模型b)非共平面模型圖1-3G3-G5呼吸道模型[10]曾敏捷[12]首次根據(jù)Alberta幾何模型及Weibel共平面模型中的氣管—支氣管模型，建立了從口腔到第三級支氣管的三維幾何模型。Feng等[13]模擬了不同四級呼吸道（G3-G6、G6-G9、G9-G12）中微米顆粒的輸運、相互作用和沉積動力學(xué)。陳曉樂[14]運用數(shù)值模擬及實驗方法系統(tǒng)的分段研究了口喉、各級支氣管（包括G0-G1、G3-G6、G5-G8、G11-G14）內(nèi)氣固兩相流動，選取了球形顆粒物和纖絲狀顆粒物研究其在穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的沉積。1.2.1.2真實呼吸道模型幾何模型的不同對氣道內(nèi)流動動力學(xué)及氣溶膠沉積具有明顯的影響，理想模型不能完全的捕捉到全部幾何信息，因此需要更加真實的模型來準確捕獲局部氣流結(jié)構(gòu)和沉積特征。隨著現(xiàn)代科技的逐漸發(fā)展，利用3D計算機斷層掃描（ComputerizedTomography，CT）和核磁共振（MagneticResonanceImaging，MRI）成像，可獲得呼吸道和肺部的高分辨3D圖像，然后通過圖像進行數(shù)字重建建立幾何模型[15]，后續(xù)可通過軟件進行網(wǎng)格劃分從而用于體內(nèi)、體外的研究。人體呼吸道具有各異性、復(fù)雜性，在研究整體呼吸道或者鼻腔區(qū)域內(nèi)的流動時常采用真實的模型。Jayaraju[16]等采用Sension16CT掃描儀對5名健康的從不吸煙男性進行多


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