本文關(guān)鍵詞：流固耦合作用下呼吸流渦結(jié)構(gòu)演化及與氣溶膠擴散轉(zhuǎn)捩關(guān)系研究

  更多相關(guān)文章： 流固耦合 人體上呼吸道 氣流組織 渦結(jié)構(gòu) 病毒氣溶膠 擴散沉積

【摘要】：人體上呼吸道是呼吸系統(tǒng)的重要組成部分，是人體與外界環(huán)境進行氣體交換的主要通道。隨著國際生物恐怖威脅的增加、大氣環(huán)境的不斷惡化以及衛(wèi)生防護防疫技術(shù)的發(fā)展，人體上呼吸道內(nèi)氣流運動與氣溶膠擴散研究的重要性已越來越為人們所關(guān)注。當遭遇生物恐怖襲擊時，，大量的病毒氣溶膠通過上呼吸道進入人體內(nèi)，對人體造成極大危害；具有生物污染物防護功能的衛(wèi)生艙室雖然能夠?qū)^大部分病毒氣溶膠進行有效過濾，但仍有少量有毒氣溶膠進入艙室，并通過上呼吸道對人體造成危害；空氣污染所導致的呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率逐年增加，其復雜性和嚴重性也日益突出，嚴重影響了人們的生活質(zhì)量。 本文通過構(gòu)建人體上呼吸道三維規(guī)范模型，采用數(shù)值模擬和PIV流場可視化實驗研究相結(jié)合的方法，對流固耦合作用下穩(wěn)態(tài)呼吸和瞬態(tài)循環(huán)呼吸過程中上呼吸道規(guī)范模型內(nèi)的氣流組織、渦結(jié)構(gòu)演化以及氣溶膠顆粒擴散沉積進行了數(shù)值仿真研究，并進行了實驗驗證。主要工作及研究結(jié)果如下： 構(gòu)建了人體上呼吸道三維規(guī)范幾何模型。運用三維重建技術(shù)和高級圖像處理技術(shù)，通過上呼吸道CT掃描、個體上呼吸道三維重建、個體模型歸一化處理、個體模型切片、切片圖像融合處理、模型規(guī)范化處理等步驟，構(gòu)建了人體上呼吸道三維規(guī)范模型，并對其進行了定性與定量分析，結(jié)果表明：與以往的簡化模型相比，規(guī)范模型在幾何形狀真實性、結(jié)構(gòu)特征完備性方面與真實人體上呼吸道更接近，在科學研究方面具有更高的應用價值。 分析了人體上呼吸道內(nèi)的流固耦合作用。通過構(gòu)建和運用人體上呼吸道流固耦合力學模型，分析了流固耦合作用下人體上呼吸道壁面的形變狀況和呼吸道內(nèi)的氣流組織特征，結(jié)果表明： 流固耦合作用下，呼吸流量越大，呼吸道形變越大，對氣流的緩沖能力越強；吸氣時，咽喉部位及氣管處向后方移動，咽喉部位受到氣流運動的作用，出現(xiàn)擴張現(xiàn)象；呼氣階段，咽喉部位及氣管處向前運動，咽喉部位受到氣流運動的作用，出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。 循環(huán)吸氣過程中，氣流分別在咽部和喉部形成兩個速度增長點，在咽部氣流發(fā)生分離現(xiàn)象；在聲門位置受到幾何結(jié)構(gòu)的限制，產(chǎn)生湍流噴射的現(xiàn)象；聲門處的噴射致使氣流在氣管前壁處形成高速氣流，氣管后方形成流動分離現(xiàn)象；隨著與聲門距離的增加，氣管前、后壁氣流速度差逐漸減少。循環(huán)呼氣過程中，口腔頂部貼近軟腭和硬腭部位的氣流速度要高于口腔底部，且在口腔頂部發(fā)生流動分離現(xiàn)象，形成分離區(qū)；在支氣管的分叉處，氣流發(fā)生交匯現(xiàn)象，交匯造成分叉中心處形成低速區(qū)，而交匯氣流使上一級支氣管中產(chǎn)生暫時的兩個氣流高速點，隨后逐步合并。 模擬了流固耦合作用下人體上呼吸道內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)演化過程。運用大渦模擬和流固耦合數(shù)值仿真方法，對人體上呼吸道內(nèi)渦結(jié)構(gòu)演化過程進行了分析，結(jié)果表明： 吸氣過程中，氣流進入口腔，硬腭部位氣體與入口氣流發(fā)生“互搓”，加上口腔中舌苔的阻礙，致使氣流在口腔中部以及舌苔上部形成了多個渦管結(jié)構(gòu)，隨后受到咽部復雜結(jié)構(gòu)的強烈干擾以及氣道的轉(zhuǎn)向，入口氣流發(fā)生轉(zhuǎn)捩；氣流在聲門部位形成強烈的射流，射流沿著氣管的前壁向前發(fā)展，受到氣管前壁形狀的影響，在氣管前壁處出現(xiàn)了類似于馬蹄形狀的“馬蹄渦”。 呼氣過程中，氣流在氣管支氣管的分叉處發(fā)生交匯現(xiàn)象，在氣管的底部產(chǎn)生了較為復雜的渦結(jié)構(gòu)，隨著氣流在氣管內(nèi)的融合，氣管內(nèi)的渦量逐步減弱，只剩一個能量較大的渦管沿著氣道不斷伸長；氣流在聲門處的強烈噴射以及會厭部位的阻礙使咽喉部位產(chǎn)生了較為復雜的渦結(jié)構(gòu)，在咽喉后壁處射流受到阻礙，形成了“拱狀渦”；進入口腔時，氣流受到軟腭阻礙、氣道轉(zhuǎn)向以及截面縮小的影響，一方面導致咽腔內(nèi)的大的渦結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂，另一方面致使氣流在咽部再次發(fā)生噴射，射流朝向口腔上部，口腔內(nèi)并沒有較大的渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。 研究了流固耦合作用下人體上呼吸道內(nèi)的氣溶膠擴散沉積行為。借助Lagrangian隨機軌道模型，對規(guī)范模型內(nèi)的氣溶膠顆粒擴散沉積進行了仿真分析，結(jié)果表明： 吸氣過程中，0.3m的氣溶膠顆粒比6.5m的氣溶膠顆粒更容易通過上呼吸道，進入更深層次的支氣管中；0.3m的氣溶膠顆粒更容易受到渦結(jié)構(gòu)的影響，喉部后側(cè)以及氣管后部具有螺旋狀軌跡的氣溶膠顆粒數(shù)量更多；大多數(shù)的氣溶膠顆粒將在上呼吸道模型中的渦量集中區(qū)通過。呼氣過程中，部分進入上呼吸道模型的顆粒在呼出氣流的夾帶下，在氣道中折返、回旋、沉積，而有些則從口腔中呼出，在折返的過程中，由于顆粒對于呼出氣流的跟隨性較好，折返的軌跡主要集中呼吸氣階段渦量集中的區(qū)域。 呼吸流量30L/min和60L/min時粒徑分別為0.3m和6.5m的氣溶膠顆粒在喉部及氣管內(nèi)沉積較多，但在口腔內(nèi)的沉積較少；6.5m的氣溶膠顆粒在上氣道不同部位的沉積率要明顯高于0.3m氣溶膠；在考慮流固耦合作用時，兩種粒徑的氣溶膠顆粒在咽喉部位的沉積率均有所下降；粒徑為6.5m氣溶膠的主要沉積機理是慣性碰撞，而粒徑為0.3m的氣溶膠的沉積卻主要受到湍流擴散及渦流夾帶的影響。 開展了人體上呼吸道內(nèi)氣流組織、渦結(jié)構(gòu)演化及氣溶膠沉積的可視化實驗。利用激光固化快速成型（Stereolithography，SL）技術(shù)制備了人體上呼吸道三維規(guī)范實物模型，并運用流場可視化測試（Particle Image Velocity，PIV）技術(shù)對其內(nèi)部氣流組織、渦結(jié)構(gòu)演化及氣溶膠沉積進行了實驗測量，將實驗測量結(jié)果與仿真結(jié)果進行對照，從而驗證了數(shù)值仿真方法的正確性，結(jié)果表明：實驗測量結(jié)果與仿真結(jié)果整體氣流組織形式較為一致，實驗中最大速度為10.24m/s，仿真中最大速度為9.55m/s，且測量數(shù)值與仿真數(shù)值誤差最大不超過8%，氣溶膠顆粒在人體上呼吸道內(nèi)各部位的沉積趨勢基本一致，吻合較好，從而說明數(shù)值仿真方法的準確性。
【關(guān)鍵詞】：流固耦合 人體上呼吸道 氣流組織 渦結(jié)構(gòu) 病毒氣溶膠 擴散沉積
【學位授予單位】：中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：R82
【目錄】：

• 摘要10-13
• ABSTRACT13-17
• 第1章 緒論17-29
• 1.1 引言17-19
• 1.1.1 病毒氣溶膠成為生物恐怖襲擊及病毒傳播的重要方式17
• 1.1.2 機動衛(wèi)生防護艙室中少量有毒氣溶膠對人體仍具危害17-18
• 1.1.3 城市環(huán)境空氣質(zhì)量持續(xù)下降引發(fā)人們普遍關(guān)注18-19
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與存在問題19-25
• 1.2.1 人體上呼吸道模型構(gòu)建研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.2 上呼吸道內(nèi)氣流組織研究現(xiàn)狀21-22
• 1.2.3 上呼吸道內(nèi)顆粒擴散沉積研究現(xiàn)狀22-24
• 1.2.4 存在問題分析24-25
• 1.3 研究的目的意義25-27
• 1.3.1 研究目的25
• 1.3.2 研究意義25-27
• 1.4 主要研究內(nèi)容及研究思路27-29
• 1.4.1 主要研究內(nèi)容27-28
• 1.4.2 研究思路28-29
• 第2章 人體上呼吸道三維規(guī)范模型構(gòu)建29-41
• 2.1 引言29
• 2.2 人體上呼吸道生理解剖結(jié)構(gòu)及 CT 掃描29-31
• 2.2.1 人體上呼吸道生理解剖結(jié)構(gòu)29-30
• 2.2.2 人體上呼吸道 CT 掃描30-31
• 2.3 個體上呼吸道重建及歸一化處理31-33
• 2.3.1 個體三維模型的重建31
• 2.3.2 個體三維模型的定位31-32
• 2.3.3 個體三維模型的縮放32-33
• 2.4 個體模型切片及切片圖像融合處理33-35
• 2.4.1 個體模型的切片處理33-34
• 2.4.2 切片圖像的融合處理34
• 2.4.3 融合圖像三維重建34-35
• 2.5 融合圖像模型的規(guī)范化處理35-38
• 2.5.1 人體上呼吸道關(guān)鍵部位選定35
• 2.5.2 關(guān)鍵尺寸統(tǒng)計35-36
• 2.5.3 模型規(guī)范化處理36-38
• 2.6 人體上呼吸道模型對比分析38-40
• 2.6.1 定性分析38-39
• 2.6.2 定量分析39-40
• 2.7 本章小結(jié)40-41
• 第3章 人體上呼吸道流固耦合力學模型構(gòu)建41-54
• 3.1 引言41
• 3.2 流固耦合力學基本理論41-47
• 3.2.1 流固耦合力學問題及其分類41-42
• 3.2.2 流固耦合力學問題求解方法42-44
• 3.2.3 流固耦合問題數(shù)值離散方法44-47
• 3.3 呼吸道彈性壁面有限元模型構(gòu)建47-49
• 3.3.1 規(guī)范模型的逆向工程重建47-48
• 3.3.2 上呼吸道壁面的參數(shù)設(shè)計48
• 3.3.3 上呼吸道壁面網(wǎng)格劃分及約束條件48-49
• 3.4 流體域創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分49-51
• 3.4.1 流體計算域的確定49
• 3.4.2 流體域網(wǎng)格劃分49-51
• 3.5 呼吸道流固耦合力學模型控制方程51-53
• 3.5.1 固體（呼吸道壁面）控制方程51-52
• 3.5.2 流體控制方程52
• 3.5.3 流固耦合界面控制方程52-53
• 3.6 本章小節(jié)53-54
• 第4章 流固耦合作用下人體上呼吸道內(nèi)氣流組織數(shù)值仿真研究54-75
• 4.1 引言54
• 4.2 湍流模型及數(shù)值仿真方法54-63
• 4.2.1 湍流模型的選擇55-58
• 4.2.2 SST 模型和 SAS-SST 模型58-60
• 4.2.3 Re 轉(zhuǎn)捩模型60-62
• 4.2.4 流體域數(shù)值仿真方法62-63
• 4.3 穩(wěn)態(tài)呼吸模式下人體上呼吸道內(nèi)氣流組織仿真分析63-68
• 4.3.1 不同呼吸條件下人體上呼吸道壁面形變分析63-65
• 4.3.2 口喉模型內(nèi)氣流組織分析65-67
• 4.3.3 氣管支氣管模型內(nèi)氣流組織分析67-68
• 4.4 循環(huán)呼吸模式下人體上呼吸道內(nèi)氣流組織仿真分析68-73
• 4.4.1 不同時刻人體上呼吸道壁面形變分析68-69
• 4.4.2 吸氣階段模型內(nèi)氣流組織分析69-70
• 4.4.3 呼氣階段模型內(nèi)氣流組織分析70-72
• 4.4.4 流固耦合作用對氣流組織的影響72-73
• 4.5 本章小結(jié)73-75
• 第5章 流固耦合作用下人體上呼吸道內(nèi)渦結(jié)構(gòu)演化過程數(shù)值仿真研究75-92
• 5.1 引言75
• 5.2 流體域數(shù)學模型及數(shù)值仿真方法75-78
• 5.2.1 大渦模擬數(shù)值仿真方法75-76
• 5.2.2 渦結(jié)構(gòu)的判別76-78
• 5.2.3 流體域數(shù)值仿真方法78
• 5.3 穩(wěn)態(tài)呼吸模式下呼吸流渦結(jié)構(gòu)特征及其演化過程分析78-82
• 5.3.1 人體上呼吸道模型內(nèi)的渦量分布78-80
• 5.3.2 穩(wěn)態(tài)呼吸模式下口喉模型內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)特征及其演化過程80-81
• 5.3.3 穩(wěn)態(tài)呼吸模式下氣管支氣管內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)特征及其演化過程81-82
• 5.4 循環(huán)吸氣模式下呼吸流渦結(jié)構(gòu)特征及其演化過程分析82-86
• 5.4.1 吸氣不同時刻模型內(nèi)的渦量分布82-83
• 5.4.2 t=1s 時刻口喉模型內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)特征及其演化過程83-84
• 5.4.3 t=1s 時刻氣管支氣管內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)特征及其演化過程84-86
• 5.5 循環(huán)呼氣模式下呼吸流渦結(jié)構(gòu)特征及其演化過程分析86-90
• 5.5.1 呼氣不同時刻模型內(nèi)的渦量分布86-87
• 5.5.2 t=3s 時刻口喉模型內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)特征及其演化過程87-89
• 5.5.3 t=3s 時刻氣管支氣管內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)特征及其演化過程89-90
• 5.6 本章小結(jié)90-92
• 第6章 呼吸流速度場及渦結(jié)構(gòu)演化的 PIV 實驗研究92-101
• 6.1 引言92
• 6.2 PIV 實驗原理92-93
• 6.3 PIV 實驗模型制備及裝置搭建93-96
• 6.3.1 上呼吸道實驗模型制備93-94
• 6.3.2 實驗裝置搭建94-96
• 6.4 PIV 實驗方案96-97
• 6.5 實驗結(jié)果及對比分析97-100
• 6.5.1 實驗測量結(jié)果97-99
• 6.5.2 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比分析99-100
• 6.6 本章小結(jié)100-101
• 第7章 流固耦合作用下人體上呼吸道內(nèi)氣溶膠擴散仿真與沉積實驗研究101-114
• 7.1 引言101
• 7.2 數(shù)學模型及數(shù)值仿真方法101-103
• 7.2.1 顆粒軌跡控制方程101-103
• 7.2.2 數(shù)值仿真方法103
• 7.3 氣溶膠擴散數(shù)值仿真分析103-106
• 7.3.1 穩(wěn)態(tài)呼吸模式下氣溶膠顆粒的擴散軌跡103-104
• 7.3.2 循環(huán)呼吸模式下氣溶膠顆粒的擴散軌跡104-105
• 7.3.3 顆粒擴散轉(zhuǎn)捩與氣流轉(zhuǎn)捩及渦結(jié)構(gòu)演化的關(guān)系105-106
• 7.4 氣溶膠沉積數(shù)值仿真及實驗驗證106-112
• 7.4.1 氣溶膠沉積率106-107
• 7.4.2 氣溶膠沉積數(shù)值仿真結(jié)果分析107-109
• 7.4.3 氣溶膠沉積實驗驗證109-112
• 7.5 本章小結(jié)112-114
• 第8章 結(jié)論與展望114-118
• 8.1 主要結(jié)論114-116
• 8.2 創(chuàng)新點116
• 8.3 工作展望116-118
• 參考文獻118-132
• 文獻綜述132-137
• 在學期間取得的成果及發(fā)表的代表性論著137-146
• 作者簡歷146-147
• 致謝147

【參考文獻】

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本文編號：1115386