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.pdf

1、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

2、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?。ㄎ⒚琢考?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

3、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COMSOL4.3a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

4、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?。煌ㄟ^(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)0.05-0.5

5、μm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