人体上呼吸道内气流运动特性与气溶胶沉积规律的研究

论文摘要

空气污染物气溶胶对人类健康产生严重的威胁,人体通过呼吸道吸入有毒气溶胶会引发哮喘、肺气肿和支气管炎等呼吸道疾病,SARS和禽流感等疾病的爆发同样是病毒以生物气溶胶的形式通过呼吸道传播而引发感染;针对各种呼吸道疾病,气溶胶吸入治疗在呼吸道疾病的防治中表现出了明显的优势。人体上呼吸道内气流流场、气溶胶性质、呼吸模式及其几何特性决定了有毒气溶胶或吸入药物气溶胶的沉积位置和局部浓度,进而决定有毒气溶胶的危害程度或药物气溶胶的治疗效果。因此,研究人体呼吸道内的气流运动特性,探讨有毒气溶胶或药物气溶胶在人体呼吸道内的沉积规律,对于认识有毒气溶胶对人体的危害、进行剂量健康效应的评价以及继续深入探索有毒气溶胶的致病机理具有重要的实际意义,对于提高药物气溶胶的治疗效果具有重要的指导意义。本文在总结国内外研究工作的基础上,借鉴ARLA（Aerosol Research Laboratory of Alberta）的理想口-喉模型和Weible模型的气管-支气管模型,建立了具有口腔-咽-喉-气管-前三级支气管的完整的人体上呼吸道模型。运用CFD数值仿真和试验研究相结合的方法对人体上呼吸道内的气流运动特性和气溶胶运动沉积规律进行了全面、系统的研究。研究结果表明:稳态呼吸模式下,气流在咽部外壁、气管外壁发生分离现象,气流在气管内壁形成局部高速区域,容易造成较多的气溶胶沉积;在气管内的三个截面内分别形成两个对称的二次涡流运动,二次涡流运动使得气管内壁所受到的流动剪应力增大,而外壁面剪应力减小;同时轴向速度在气管内壁引起高剪应力分布,而外壁的剪应力较小,二次涡流容易造成气溶胶在气管内壁沉积较多;进入到支气管内的气流在分叉处发生分离,并且在下游支气管的内壁区域形成新的边界层,靠近支气管内壁速度较高,并且在支气管边界层的外缘速度达到最大值,靠近支气管外壁速度较低。循环吸气模式下,吸气加速阶段咽部、喉部和声门下游气管内壁形成局部高速区,容易造成气溶胶因惯性碰撞而沉积;在咽部外壁、声门下游气管上部外壁气流逐渐发生分离,形成分离区,使得气溶胶在这些部位随气流环流循环运动,滞留时间增加,容易造成一部分气溶胶在咽部外壁和气管外壁的沉积;支气管平面内形成抛物线型的速度分布,气流主流逐渐偏离支气管外壁,流向内壁,容易造成气溶胶在支气管内壁沉积较多;支气管内各个截面上形成的二次涡流运动的强度逐渐增强,二次涡流运动会造成气溶胶在内壁的沉积几率增加。吸气减速阶段,咽部外壁的分离区逐渐向内壁方向扩大,同时在咽部的内壁也发生气流分离现象,气管外壁的分离区向气管内壁方向扩大,同时向气管下游延伸;在第一级支气管外壁区产生气流分离现象,形成较小的分离区,在第二级和第三级支气管内没有发生类似现象。循环呼气模式下,呼气加速阶段与吸气加速阶段不同,气管平面内气流流速分布比较均匀;气管内逐渐形成四个二次涡流运动,气流在支气管内经过多级分支的效果是使速度分布均匀化,特别是在同级两个支气管轴线共处的平面内的速度分布在经过几级汇合后,轴线处的峰值分布现象会消失而变得均匀;在支气管内呈现典型的抛物线速度分布形式,支气管内的二次气流运动经历了从两个涡流到四个涡流的运动变化过程。呼气减速阶段,呼气终了时刻,在第一级和第二级支气管的内壁均出现了气流分离现象,在内壁形成分离区。循环呼吸模式下,咽部、喉部、气管以及支气管内高轴向速度区和二次涡流运动均是在呼吸过程中逐渐出现的,只是间歇性地产生,所以由此而引起的气道壁面的气流剪应力集中,形成的高剪应力区也是间歇性的,只在整个周期的部分时间出现。壁面受到的剪应力周期性地改变方向,引起壁面劳损和组织损伤的可能性增大,同时在这些部位容易造成气溶胶的沉积,还可能会引起各种呼吸道疾病。呼气阶段支气管内的气流运动、气流剪应力的分布和气溶胶的运动形式比吸气阶段更为复杂。采用激光快速成型技术（Stereo-Lithography,SL）制作了人体上呼吸道的试验模型,应用粒子图像速度仪（Particle Image Velocimetry,PIV）对人体上呼吸道内的稳态气流运动特性进行了试验研究,分析了在低强度呼吸条件下人体上呼吸道内的气流运动特性。研究结果表明,数值仿真结果与试验测量结果基本一致,证明了数值仿真方法的准确性和合理性。利用拉格朗日方法对气溶胶在上呼吸道内的运动进行仿真计算,分析了不同呼吸模式下气溶胶的沉积特点。惯性碰撞对于微尺度气溶胶沉积而言是主要的沉积机制,惯性参数是衡量碰撞作用造成颗粒沉积的一个重要的参数,人体上呼吸道内不同部位气溶胶沉积率随惯性参数的增加而增加;而湍流扩散、二次气流运动和环流气流运动对气溶胶在人体上呼吸道内的沉积同样具有重要的影响,人体的呼吸流量和气溶胶性质对气溶胶在上呼吸道内的沉积模式影响较小;惯性碰撞和湍流扩散的影响致使在喉部气溶胶沉积最多,气管中气溶胶的沉积效率要高于支气管中的气溶胶沉积效率。人体循环吸气模式下,气溶胶在人体上呼吸道内的沉积率要高于稳态吸气情况下的气溶胶的沉积率;循环吸气模式下的气溶胶沉积率远大于循环呼气模式下的气溶胶沉积率。建立了气溶胶在人体上呼吸道内沉积的试验台,对气溶胶在上呼吸道内的沉积进行了试验研究。数值仿真结果与试验结果基本一致,平均误差为11%,沉积变化趋势吻合较好。人体上呼吸道内气溶胶沉积的数值仿真方法,能够较好地预测气溶胶在上呼吸道内的沉积模式以及不同部位的沉积率,是我们获得上呼吸道内有毒气溶胶或药物气溶胶在不同部位沉积信息的一种有效的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气溶胶的物理特性
• 1.2.1 气溶胶的基本概念
• 1.2.2 气溶胶物理特性简述
• 1.3 气溶胶在呼吸道内的沉积机理
• 1.3.1 呼吸系统
• 1.3.2 气溶胶粒子的传输和沉积机制
• 1.4 气溶胶呼吸道沉积的国内外研究现状
• 1.5 本文研究的主要意义及内容
• 1.5.1 本文研究的主要意义
• 1.5.2 本文研究的主要内容
• 第二章 人体上呼吸道内稳态气流运动特性的数值仿真研究
• 2.1 引言
• 2.2 人体上呼吸道几何模型
• 2.3 数学模型
• 2.3.1 控制方程
• 2.3.2 基于有限体积法的控制方程的离散
• 2.3.3 数值仿真方法
• 2.4 人体上呼吸道内稳态气流运动特性的数值仿真分析
• 2.4.1 呼吸流量为30L/min 时人体上呼吸道内稳态气流运动特性分析
• 2.4.2 呼吸流量为90L/min 时人体上呼吸道内稳态气流运动特性分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 人体循环呼吸模式下上呼吸道内气流运动特性的数值仿真研究
• 3.1 引言
• 3.2 人体循环呼吸模式下上呼吸道内气流运动特性的数值仿真方法
• 3.2.1 人体上呼吸道几何模型
• 3.2.2 数值仿真方法
• 3.3 人体循环呼吸模式下上呼吸道内气流运动特性的数值仿真分析
• 3.3.1 人体循环吸气模式下口喉模型内气流运动特性分析
• 3.3.2 人体循环吸气模式下支气管模型内气流运动特性分析
• 3.3.3 人体循环呼气模式下口喉模型内气流运动特性分析
• 3.3.4 人体循环呼气模式下支气管模型内气流运动特性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 人体上呼吸道内稳态气流运动特性的PIV 试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 PIV 基本原理
• 4.3 试验模型和方法
• 4.4 示踪粒子的选择
• 4.5 试验结果及分析
• 4.6 试验测量结果与数值仿真结果对比分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 人体上呼吸道内气溶胶沉积的数值仿真研究
• 5.1 引言
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 人体上呼吸道模型和控制方程
• 5.2.2 数值仿真方法
• 5.3 人体上呼吸道内气溶胶沉积的数值仿真分析
• 5.3.1 人体上呼吸道内稳态吸气模式下气溶胶沉积的数值仿真分析
• 5.3.2 人体上呼吸道内瞬态气溶胶沉积的数值仿真分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 人体上呼吸道内气溶胶沉积的试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料和方法
• 6.2.1 人体上呼吸道物理模型和模型的制备
• 6.2.2 气溶胶的产生和试验台的建立
• 6.3 试验结果及分析
• 6.3.1 人体上呼吸道内气溶胶沉积试验结果分析
• 6.3.2 人体上呼吸道内气溶胶沉积的试验测量结果与数值仿真结果对比分析
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 全文结论
• 主要创新点
• 展望
• 参考文献
• 代表性成果
• 参加的科研项目
• 作者简历
• 致谢