颗粒物在人体气管支气管模型中传输与沉积的数值模拟研究

论文摘要

流行病学研究结果表明,大气环境中颗粒物浓度增加与呼吸系统及心脑血管等疾病的入院率及死亡率密切相关。毒理学研究表明,通过呼吸作用进入人体的颗粒物通过一系列行为（沉积、吸收等）对人体健康产生影响。在呼吸系统内的沉积是颗粒物对人体健康产生影响的前提,且颗粒物在肺部的沉积越深,产生的危害就越大。可见,研究颗粒物在人体呼吸系统传输与沉积对于定量研究颗粒物的暴露风险和剂量健康效应非常重要。另外,对呼吸系统等疾病的治疗,目前最有发展前途的方法是吸入式治疗法。而如何使吸入式药物颗粒尽可能多地到达这类疾病患者的病变部位,以提高吸入式疗法的治疗效果,是目前研究颗粒物在人体呼吸系统内传输与沉积重要目的之一本文建立了三种呼吸道模型：（1）G3-G6级健康共面支气管模型,（2）G3-G6级非共面支气管模型,（3）G3-G6级阻塞支气管模型。通过数值模拟来研究其内流场及颗粒物运动规律。分别采用欧拉法和拉格朗日法来研究空气流动与颗粒物运动,其控制方程分别为三维稳态N-S方程和牛顿第二定律方程。选择雷诺数、颗粒物粒径以及沉积机理作为颗粒物沉积的主要影响因素,通过计算得出模型中空气流场的分布特性和颗粒物沉积规律。通过改变这些影响因素来计算三种模型内流场与颗粒物沉积形态的变化特点,从而得到这三种模型结构对流场和颗粒物沉积特性的影响规律。研究表明,主流和二次流对颗粒物的沉积形态有很大的影响；不同粒径颗粒物沉积效率随雷诺数的变化趋势不同,沉积机理也有所不同；颗粒物在三种模型内的沉积效率随雷诺数以及粒径变化的趋势比较一致；受结构的影响,三种模型内流场的分布不同,颗粒物的局部沉积形态也不一样；阻塞性呼吸道疾病患者在采用吸入式治疗时,当呼吸速率比较低时,不利于颗粒药物的靶向传输,但有利于降低患病部位对颗粒污染物的暴露风险,而当呼吸速率比较高时,颗粒药物的粒径越大靶向性越好,且存在一个粒径使得颗粒药物的靶向传输最好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 颗粒物的健康危害
• 1.1.2 颗粒物对呼吸系统的影响
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的研究目的与内容
• 第二章 呼吸系统中颗粒物的数值模拟方法
• 2.1 空气流动数值方法
• 2.1.1 空气流动方程
• 2.1.2 空气流动的数值模拟方法
• 2.2 颗粒物传输与沉积模拟
• 2.2.1 颗粒物运动分析
• 2.2.2 颗粒物的数值模拟方法
• 2.2.3 颗粒物沉积评估参数
• 2.3 误差分析和模型验证
• 2.4 本章小结
• 第三章 颗粒物在G3-G6级共面健康呼吸道内的数值模拟
• 3.1 G3-G6四级共面健康呼吸道模型
• 3.2 G3-G6四级共面健康气管支气管流场的模拟
• 3.2.1 空气流动计算参数
• 3.2.2 流场的模拟结果
• 3.3 颗粒物传输与沉积的模拟结果
• 3.3.1 雷诺数对不同粒径颗粒物沉积效率的影响
• 3.3.2 沉积机理对不同粒径颗粒物沉积效率的影响
• 3.3.3 不同粒径的颗粒物在模型中的沉积形态
• 3.3.4 雷诺数对不同粒径颗粒物沉积分数的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 颗粒物在G3-G6非共面健康呼吸道内的数值模拟
• 4.1 G3-G6四级非共面健康呼吸道模型
• 4.2 G3-G6四级非共面健康气管支气管流场的模拟
• 4.3 颗粒物传输与沉积的模拟结果
• 4.3.1 雷诺数对不同粒径颗粒物沉积效率的影响
• 4.3.2 颗粒物在非共面健康模型中的沉积形态
• 4.3.3 不同粒径颗粒物的沉积分数
• 4.4 本章小结
• 第五章 颗粒物在G3-G6共面阻塞呼吸道内的数值模拟
• 5.1 G3-G6四级共面阻塞性气管支气管模型
• 5.2 G3-G6四级共面阻塞性气管支气管流场的模拟
• 5.3 颗粒物传输与沉积的模拟结果
• 5.3.1 雷诺数对不同粒径颗粒物沉积效率的影响
• 5.3.2 颗粒物在阻塞性模型中的沉积形态
• 5.3.3 颗粒物在阻塞性模型中阻塞管的沉积分数
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间主要学术成果及参与的科研项目