本文關(guān)鍵詞：肺腺泡內(nèi)三維流場特性及細顆粒物沉積的數(shù)值模擬研究

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【摘要】：可吸入顆粒物在人體進行呼吸的過程中會隨空氣進入人體,并沉積在呼吸道表面,對人體呼吸系統(tǒng)造成危害。近年來,隨著環(huán)境空氣污染越來越嚴重,呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管疾病等的發(fā)病率和死亡率也急劇增加,特別是細顆粒物會隨著氣流進入呼吸系統(tǒng)的肺腺泡區(qū)并沉積在此,甚至會穿透肺泡壁進入人體血液循環(huán)系統(tǒng),進而影響心臟、大腦等重要器官,危害非常大。此外,可吸入療法作為目前很有發(fā)展前途的治療呼吸系統(tǒng)疾病的方法,對于如何使可吸入藥物顆粒物更有效的到達病灶區(qū),提高治療效果也值得研究。因此,研究肺腺泡區(qū)細顆粒物的沉積對肺部疾病的預(yù)防、治療及可吸入療法的發(fā)展都具有重要意義。目前,由于人體肺腺泡部位的真實生理結(jié)構(gòu)具有尺度小(微米量級),肺泡數(shù)量多(3-4億),結(jié)構(gòu)復雜等特點,通過實驗手段(如CT掃描)難以對其進行探測,目前僅存在組織學上的平面切片圖形。此外,人體在呼吸過程中肺泡是變化的,這也增加了數(shù)值模擬的難度。本文在呼吸生理學和人體肺腺泡結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,以Weibel A模型為基礎(chǔ),通過假設(shè)和簡化,建立了三維肺腺泡幾何模型,通過動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)肺泡的動態(tài)變化。對空氣流動和顆粒的傳輸分別采用歐拉法和拉格朗日法進行研究,其控制方程分別為氣體流動的N-S方程和牛頓第二定律方程,在多物理場耦合軟件COMSOL 4.3a平臺上對三種不同呼吸狀態(tài)下的空氣流動和顆粒沉積進行了數(shù)值模擬計算。主要研究了肺腺泡區(qū)的整體流場特性,不同呼吸狀態(tài)與不同肺腺泡級數(shù)肺泡內(nèi)的流線形態(tài),對0.05-3μm范圍內(nèi)不同顆粒粒徑、不同密度及不同呼吸周期下的顆粒沉積率進行了統(tǒng)計分析。研究結(jié)果表明,三維肺腺泡內(nèi)的模擬換氣量與真實呼吸換氣量在同一數(shù)量級,肺內(nèi)壓降隨肺腺泡級數(shù)的增加而減小;通過對不同級數(shù)肺泡內(nèi)的流線形態(tài)進行觀察對比,可知肺泡內(nèi)的流線形態(tài)僅與肺泡所處的肺腺泡級數(shù)有關(guān),即僅與肺腺泡的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān),流線形態(tài)隨著肺腺泡級數(shù)的增加呈現(xiàn)從循環(huán)狀向放射狀的變化。在忽略布朗力情況下,顆粒沉積率隨顆粒粒徑的增大而增大;重力沉降對1-3μm的顆粒沉積率影響較大,對0.05-0.5μm顆粒沉積率的影響可忽略。顆粒密度對0.05-0.5μm顆粒沉積率的影響可忽略,1-3μm顆粒沉積率隨密度的增大呈線性增大。0.5μm、1μm、2μm顆粒的沉積率隨呼吸時間的增大呈線性增大。將本文三維模型下顆粒物的沉積率和文獻中二維模型沉積率進行對比,得出三維模型中顆粒物的沉積率整體高于二維模型的結(jié)論,引入顆粒沉積增長率分析了不同模型對不同粒徑顆粒沉積率影響的大小,發(fā)現(xiàn)三維肺腺泡模型對大粒徑顆粒物沉積率的影響大于對粒徑小的顆粒物沉積率的影響。
【關(guān)鍵詞】：肺腺泡 動網(wǎng)格 氣流特性 細顆粒物沉積 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R122
【目錄】：

• 摘要3-5
• 英文摘要5-7
• 主要符號表7-10
• 1 緒論10-17
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 可吸入顆粒物的分類及我國PM2.5 污染現(xiàn)狀10-11
• 1.1.2 可入肺顆粒物對人體健康的危害11-12
• 1.1.3 可吸入顆粒物的清除機制及可吸入療法12-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 研究目的及內(nèi)容15-17
• 2 呼吸系統(tǒng)簡介17-21
• 2.1 人體肺部及肺腺泡結(jié)構(gòu)17-18
• 2.2 人體呼吸機理18-19
• 2.3 肺泡動力學機制19-21
• 3 肺腺泡區(qū)數(shù)值模擬的基本理論21-33
• 3.1 空氣流動理論21-23
• 3.1.1 空氣的基本性質(zhì)21-22
• 3.1.2 空氣流動控制方程22
• 3.1.3 表征空氣流動的無量綱參數(shù)22-23
• 3.2 顆粒物傳輸和沉積機制23-30
• 3.2.1 顆粒物運動分析23-27
• 3.2.2 表征顆粒運動的無量綱數(shù)及顆粒沉積機理27-29
• 3.2.3 顆粒物的數(shù)值模擬方法29-30
• 3.3 二維肺腺泡區(qū)數(shù)值模擬情況30-33
• 4 肺腺泡區(qū)氣體流動的數(shù)值模擬33-45
• 4.1 人體肺腺泡模型33-36
• 4.2 流場的模擬36-38
• 4.2.1 邊界條件設(shè)定36-37
• 4.2.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗37-38
• 4.2.3 網(wǎng)格質(zhì)量38
• 4.3 流場模擬結(jié)果38-43
• 4.3.1 T/8 和T/4 時刻氣流運動特性39-41
• 4.3.2 肺腺泡內(nèi)通流特性的研究41-42
• 4.3.3 肺腺泡各級肺泡內(nèi)流線形態(tài)42-43
• 4.3.4 呼吸狀態(tài)對肺泡內(nèi)流線形態(tài)的影響43
• 4.4 本章小結(jié)43-45
• 5 肺腺泡區(qū)顆粒沉積的數(shù)值模擬45-53
• 5.1 研究內(nèi)容45
• 5.2 數(shù)值模擬45-47
• 5.2.1 肺腺泡部位顆粒沉積的數(shù)值模擬46
• 5.2.2 邊界條件設(shè)定46
• 5.2.3 顆粒物的沉積評估參數(shù)46-47
• 5.3 肺腺泡部位顆粒沉積的數(shù)值模擬結(jié)果及分析47-52
• 5.3.1 顆粒粒徑對顆粒物整體沉積率的影響47-48
• 5.3.2 3 種不同密度顆粒物的整體沉積率48-50
• 5.3.3 多呼吸周期下顆粒物的整體沉積率50-51
• 5.3.4 二維與三維肺腺泡中沉積率對比51-52
• 5.4 本章小結(jié)52-53
• 6 結(jié)論與展望53-55
• 6.1 結(jié)論53-54
• 6.2 展望54-55
• 致謝55-56
• 參考文獻56-58

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 魏素靈;;簡述PM2.5對人體健康的影響[J];資源節(jié)約與環(huán)保;2014年01期

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本文編號：600026