本文關(guān)鍵詞：肺腺泡內(nèi)三維流場(chǎng)特性及細(xì)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(jìn)行呼吸的過(guò)程中會(huì)隨空氣進(jìn)入人體,并沉積在呼吸道表面,對(duì)人體呼吸系統(tǒng)造成危害。近年來(lái),隨著環(huán)境空氣污染越來(lái)越嚴(yán)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(xì)顆粒物會(huì)隨著氣流進(jìn)入呼吸系統(tǒng)的肺腺泡區(qū)并沉積在此,甚至?xí)┩阜闻荼谶M(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng),進(jìn)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(duì)于如何使可吸入藥物顆粒物更有效的到達(dá)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(xì)顆粒物的沉積對(duì)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(shí)生理結(jié)構(gòu)具有尺度小(微米量級(jí)),肺泡數(shù)量多(3-4億),結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段(如CT掃描)難以對(duì)其進(jìn)行探測(cè),目前僅存在組織學(xué)上的平面切片圖形。此外,人體在呼吸過(guò)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(xué)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(guò)假設(shè)和簡(jiǎn)化,建立了三維肺腺泡幾何模型,通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)肺泡的動(dòng)態(tài)變化。對(duì)空氣流動(dòng)和顆粒的傳輸分別采用歐拉法和拉格朗日法進(jìn)行研究,其控制方程分別為氣體流動(dòng)的N-S方程和牛頓第二定律方程,在多物理場(chǎng)耦合軟件COMSOL 4.3a平臺(tái)上對(duì)三種不同呼吸狀態(tài)下的空氣流動(dòng)和顆粒沉積進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。主要研究了肺腺泡區(qū)的整體流場(chǎng)特性,不同呼吸狀態(tài)與不同肺腺泡級(jí)數(shù)肺泡內(nèi)的流線形態(tài),對(duì)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(shí)呼吸換氣量在同一數(shù)量級(jí),肺內(nèi)壓降隨肺腺泡級(jí)數(shù)的增加而減小;通過(guò)對(duì)不同級(jí)數(shù)肺泡內(nèi)的流線形態(tài)進(jìn)行觀察對(duì)比,可知肺泡內(nèi)的流線形態(tài)僅與肺泡所處的肺腺泡級(jí)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(jí)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(duì)1-3μm的顆粒沉積率影響較大,對(duì)0.05-0.5μm顆粒沉積率的影響可忽略。顆粒密度對(duì)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(shí)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(xiàn)中二維模型沉積率進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)率分析了不同模型對(duì)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(duì)大粒徑顆粒物沉積率的影響大于對(duì)粒徑小的顆粒物沉積率的影響。
【關(guān)鍵詞】：肺腺泡 動(dòng)網(wǎng)格 氣流特性 細(xì)顆粒物沉積 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R122
【目錄】：

• 摘要3-5
• 英文摘要5-7
• 主要符號(hào)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(guó)PM2.5 污染現(xiàn)狀10-11
• 1.1.2 可入肺顆粒物對(duì)人體健康的危害11-12
• 1.1.3 可吸入顆粒物的清除機(jī)制及可吸入療法12-14
• 1.2 國(guó)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(jiǎn)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(jī)理18-19
• 2.3 肺泡動(dòng)力學(xué)機(jī)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(dòng)理論21-23
• 3.1.1 空氣的基本性質(zhì)21-22
• 3.1.2 空氣流動(dòng)控制方程22
• 3.1.3 表征空氣流動(dòng)的無(wú)量綱參數(shù)22-23
• 3.2 顆粒物傳輸和沉積機(jī)制23-30
• 3.2.1 顆粒物運(yùn)動(dòng)分析23-27
• 3.2.2 表征顆粒運(yùn)動(dòng)的無(wú)量綱數(shù)及顆粒沉積機(jī)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(dòng)的數(shù)值模擬33-45
• 4.1 人體肺腺泡模型33-36
• 4.2 流場(chǎng)的模擬36-38
• 4.2.1 邊界條件設(shè)定36-37
• 4.2.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)37-38
• 4.2.3 網(wǎng)格質(zhì)量38
• 4.3 流場(chǎng)模擬結(jié)果38-43
• 4.3.1 T/8 和T/4 時(shí)刻氣流運(yùn)動(dòng)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(jí)肺泡內(nèi)流線形態(tài)42-43
• 4.3.4 呼吸狀態(tài)對(duì)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?jī)?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(píng)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(duì)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(duì)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(xiàn)56-58

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 魏素靈;;簡(jiǎn)述PM2.5對(duì)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(hào)：600026