流固耦合作用下呼吸流渦結(jié)構(gòu)演化及與氣溶膠擴散轉(zhuǎn)換關(guān)系研究.pdf

1、人體上呼吸道是呼吸系統(tǒng)的重要組成部分,是人體與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的主要通道。隨著國際生物恐怖威脅的增加、大氣環(huán)境的不斷惡化以及衛(wèi)生防護(hù)防疫技術(shù)的發(fā)展,人體上呼吸道內(nèi)氣流運動與氣溶膠擴散研究的重要性已越來越為人們所關(guān)注。當(dāng)遭遇生物恐怖襲擊時,大量的病毒氣溶膠通過上呼吸道進(jìn)入人體內(nèi),對人體造成極大危害;具有生物污染物防護(hù)功能的衛(wèi)生艙室雖然能夠?qū)^大部分病毒氣溶膠進(jìn)行有效過濾,但仍有少量有毒氣溶膠進(jìn)入艙室,并通過上呼吸道對人體造成危害;空氣

2、污染所導(dǎo)致的呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病率逐年增加,其復(fù)雜性和嚴(yán)重性也日益突出,嚴(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量。
　　本文通過構(gòu)建人體上呼吸道三維規(guī)范模型,采用數(shù)值模擬和PIV流場可視化實驗研究相結(jié)合的方法,對流固耦合作用下穩(wěn)態(tài)呼吸和瞬態(tài)循環(huán)呼吸過程中上呼吸道規(guī)范模型內(nèi)的氣流組織、渦結(jié)構(gòu)演化以及氣溶膠顆粒擴散沉積進(jìn)行了數(shù)值仿真研究,并進(jìn)行了實驗驗證。主要工作及研究結(jié)果如下:
　　構(gòu)建了人體上呼吸道三維規(guī)范幾何模型。運用三維重建技術(shù)和高級圖像

3、處理技術(shù),通過上呼吸道CT掃描、個體上呼吸道三維重建、個體模型歸一化處理、個體模型切片、切片圖像融合處理、模型規(guī)范化處理等步驟,構(gòu)建了人體上呼吸道三維規(guī)范模型,并對其進(jìn)行了定性與定量分析,結(jié)果表明:與以往的簡化模型相比,規(guī)范模型在幾何形狀真實性、結(jié)構(gòu)特征完備性方面與真實人體上呼吸道更接近,在科學(xué)研究方面具有更高的應(yīng)用價值。
　　分析了人體上呼吸道內(nèi)的流固耦合作用。通過構(gòu)建和運用人體上呼吸道流固耦合力學(xué)模型,分析了流固耦合作用下人體

4、上呼吸道壁面的形變狀況和呼吸道內(nèi)的氣流組織特征,結(jié)果表明:
　　流固耦合作用下,呼吸流量越大,呼吸道形變越大,對氣流的緩沖能力越強;吸氣時,咽喉部位及氣管處向后方移動,咽喉部位受到氣流運動的作用,出現(xiàn)擴張現(xiàn)象;呼氣階段,咽喉部位及氣管處向前運動,咽喉部位受到氣流運動的作用,出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。
　　循環(huán)吸氣過程中,氣流分別在咽部和喉部形成兩個速度增長點,在咽部氣流發(fā)生分離現(xiàn)象;在聲門位置受到幾何結(jié)構(gòu)的限制,產(chǎn)生湍流噴射的現(xiàn)象;聲門

5、處的噴射致使氣流在氣管前壁處形成高速氣流,氣管后方形成流動分離現(xiàn)象;隨著與聲門距離的增加,氣管前、后壁氣流速度差逐漸減少。循環(huán)呼氣過程中,口腔頂部貼近軟腭和硬腭部位的氣流速度要高于口腔底部,且在口腔頂部發(fā)生流動分離現(xiàn)象,形成分離區(qū);在支氣管的分叉處,氣流發(fā)生交匯現(xiàn)象,交匯造成分叉中心處形成低速區(qū),而交匯氣流使上一級支氣管中產(chǎn)生暫時的兩個氣流高速點,隨后逐步合并。
　　模擬了流固耦合作用下人體上呼吸道內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)演化過程。運用大渦模擬

6、和流固耦合數(shù)值仿真方法,對人體上呼吸道內(nèi)渦結(jié)構(gòu)演化過程進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:
　　吸氣過程中,氣流進(jìn)入口腔,硬腭部位氣體與入口氣流發(fā)生“互搓”,加上口腔中舌苔的阻礙,致使氣流在口腔中部以及舌苔上部形成了多個渦管結(jié)構(gòu),隨后受到咽部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強烈干擾以及氣道的轉(zhuǎn)向,入口氣流發(fā)生轉(zhuǎn)捩;氣流在聲門部位形成強烈的射流,射流沿著氣管的前壁向前發(fā)展,受到氣管前壁形狀的影響,在氣管前壁處出現(xiàn)了類似于馬蹄形狀的“馬蹄渦”。
　　呼氣過程中,氣

7、流在氣管支氣管的分叉處發(fā)生交匯現(xiàn)象,在氣管的底部產(chǎn)生了較為復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu),隨著氣流在氣管內(nèi)的融合,氣管內(nèi)的渦量逐步減弱,只剩一個能量較大的渦管沿著氣道不斷伸長;氣流在聲門處的強烈噴射以及會厭部位的阻礙使咽喉部位產(chǎn)生了較為復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu),在咽喉后壁處射流受到阻礙,形成了“拱狀渦”;進(jìn)入口腔時,氣流受到軟腭阻礙、氣道轉(zhuǎn)向以及截面縮小的影響,一方面導(dǎo)致咽腔內(nèi)的大的渦結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂,另一方面致使氣流在咽部再次發(fā)生噴射,射流朝向口腔上部,口腔內(nèi)并沒有較

8、大的渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。
　　研究了流固耦合作用下人體上呼吸道內(nèi)的氣溶膠擴散沉積行為。借助Lagrangian隨機軌道模型,對規(guī)范模型內(nèi)的氣溶膠顆粒擴散沉積進(jìn)行了仿真分析,結(jié)果表明:
　　吸氣過程中,0.3μm的氣溶膠顆粒比6.5μm的氣溶膠顆粒更容易通過上呼吸道,進(jìn)入更深層次的支氣管中;0.3μm的氣溶膠顆粒更容易受到渦結(jié)構(gòu)的影響,喉部后側(cè)以及氣管后部具有螺旋狀軌跡的氣溶膠顆粒數(shù)量更多;大多數(shù)的氣溶膠顆粒將在上呼吸道模型中的渦量集

9、中區(qū)通過。呼氣過程中,部分進(jìn)入上呼吸道模型的顆粒在呼出氣流的夾帶下,在氣道中折返、回旋、沉積,而有些則從口腔中呼出,在折返的過程中,由于顆粒對于呼出氣流的跟隨性較好,折返的軌跡主要集中呼吸氣階段渦量集中的區(qū)域。
　　呼吸流量30L/min和60L/min時粒徑分別為0.3μm和6.5μm的氣溶膠顆粒在喉部及氣管內(nèi)沉積較多,但在口腔內(nèi)的沉積較少;6.5μm的氣溶膠顆粒在上氣道不同部位的沉積率要明顯高于0.3μm氣溶膠;在考慮流固耦合

10、作用時,兩種粒徑的氣溶膠顆粒在咽喉部位的沉積率均有所下降;粒徑為6.5μm氣溶膠的主要沉積機理是慣性碰撞,而粒徑為0.3μm的氣溶膠的沉積卻主要受到湍流擴散及渦流夾帶的影響。
　　開展了人體上呼吸道內(nèi)氣流組織、渦結(jié)構(gòu)演化及氣溶膠沉積的可視化實驗。利用激光固化快速成型(Stereolithography,SL)技術(shù)制備了人體上呼吸道三維規(guī)范實物模型,并運用流場可視化測試(Particle Image Velocity,PIV)技術(shù)對