流固耦合作用下呼吸流涡结构演化及与气溶胶扩散转换关系研究

摘要

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,0.3μm的气溶胶颗粒比6.5μm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;0.3μm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0.3μm和6.5μm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;6.5μm的气溶胶颗粒在上气道不同部位的沉积率要明显高于0.3μm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6.5μm气溶胶的主要沉积机理是惯性碰撞,而粒径为0.3μm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。

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表目录

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中文摘要

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状与存在问题

1.3 研究的目的意义

1.4 主要研究内容及研究思路

第2章 人体上呼吸道三维规范模型构建

2.1 引言

2.2 人体上呼吸道生理解剖结构及CT扫描

2.3 个体上呼吸道重建及归一化处理

2.4 个体模型切片及切片图像融合处理

2.5 融合图像模型的规范化处理

2.6 人体上呼吸道模型对比分析

2.7 本章小结

第3章 人体上呼吸道流固耦合力学模型构建

3.1 引言

3.2 流固耦合力学基本理论

3.3 呼吸道弹性壁面有限元模型构建

3.4 流体域创建与网格划分

3.5 呼吸道流固耦合力学模型控制方程

3.6 本章小节

第4章 流固耦合作用下人体上呼吸道内气流组织数值仿真研究

4.1 引言

4.2 湍流模型及数值仿真方法

4.3 稳态呼吸模式下人体上呼吸道内气流组织仿真分析

4.4 循环呼吸模式下人体上呼吸道内气流组织仿真分析

4.5 本章小结

第5章 流固耦合作用下人体上呼吸道内涡结构演化过程数值仿真研究

5.1 引言

5.2 流体域数学模型及数值仿真方法

5.3 稳态呼吸模式下呼吸流涡结构特征及其演化过程分析

5.4 循环吸气模式下呼吸流涡结构特征及其演化过程分析

5.5 循环呼气模式下呼吸流涡结构特征及其演化过程分析

5.6 本章小结

第6章 呼吸流速度场及涡结构演化的PIV实验研究

6.1 引言

6.2 PIV实验原理

6.3 PIV实验模型制备及装置搭建

6.4 PIV实验方案

6.5 实验结果及对比分析

6.6 本章小结

第7章 流固耦合作用下人体上呼吸道内气溶胶扩散仿真与沉积实验研究

7.1 引言

7.2 数学模型及数值仿真方法

7.3 气溶胶扩散数值仿真分析

7.4 气溶胶沉积数值仿真及实验验证

7.5 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 创新点

8.3 工作展望

参考文献

文献综述

在学期间取得的成果及发表的代表性论著

一、发表论文情况

二、参与的相关科研项目

三、代表性论著

作者简历

致谢