霧霾顆粒在人體呼吸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)沉積機(jī)理的研究.pdf

1、當(dāng)今的世界面臨著日益嚴(yán)重的大氣污染問題，隨著汽車等工業(yè)產(chǎn)品的普及以及沙塵肆虐等災(zāi)害的頻發(fā)，霧霾現(xiàn)象出現(xiàn)頻繁，呼吸道疾病的患病率大幅上升。通過研究霧霾顆粒在人體呼吸道內(nèi)運(yùn)動(dòng)和沉積的機(jī)理，對(duì)于相關(guān)的生理和病理研究具有重大的研究意義和理論價(jià)值。本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，建立了顆粒物在人體呼吸道的氣固兩相流模型，在考慮纖毛驅(qū)動(dòng)粘液運(yùn)動(dòng)的流固耦合機(jī)制的基礎(chǔ)上，建立了顆粒物在粘液纖毛系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)模型，并進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值仿真計(jì)算。不僅從宏觀領(lǐng)域上探

2、討了霧霾顆粒物的沉積機(jī)理，而且在微觀領(lǐng)域上對(duì)顆粒物在呼吸道壁面沉積后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究和探討，通過和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)的對(duì)比，證明了本文的數(shù)值計(jì)算模型以及計(jì)算方法的有效性和正確性。
　　本文首先闡述了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論，對(duì)顆粒在呼吸道內(nèi)空氣流中的運(yùn)動(dòng)建立氣固兩相流模型，選用大渦模擬描述呼吸道內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)；分析顆粒物在空氣流中的受力情況，采用DPM模型追蹤顆粒在呼吸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。然后，在人體上呼吸道物理模型基礎(chǔ)上建立剛性

3、和彈性的呼吸道模型。研究呼吸強(qiáng)度為30L/min和90L/min時(shí)，穩(wěn)態(tài)呼吸模式和循環(huán)呼吸模型下的氣流運(yùn)動(dòng)特性，計(jì)算結(jié)果表明：由于呼吸道幾何結(jié)構(gòu)的限制，氣流在聲門處會(huì)產(chǎn)生湍流噴射現(xiàn)象，在聲門上下游氣管外壁附近會(huì)發(fā)生氣流分離，產(chǎn)生回流現(xiàn)象；循環(huán)吸氣過程中，呼吸道內(nèi)的氣流軸向速度增大，在咽部和聲門下游氣管外壁處產(chǎn)生更為明顯的渦流現(xiàn)象；在呼吸道的彈性壁模型計(jì)算中，隨著呼吸道壁發(fā)生位移和變形，在口腔底部及咽喉部位，由于局部壁面出現(xiàn)凸起擴(kuò)張現(xiàn)象，

4、其膨脹的呼吸道壁對(duì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的氣流將起到“緩沖”的作用，降低氣流的速度。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)0.3um、2.5um和6.5um粒徑的顆粒沉積規(guī)律進(jìn)行研究，并考慮不同顆粒濃度下對(duì)顆粒沉積的影響，從而揭示了顆粒在呼吸道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)沉積機(jī)理：顆粒粒徑的大小和人體呼吸強(qiáng)度是顆粒沉積最主要的兩個(gè)因素。不同粒徑顆粒的沉積機(jī)理不盡相同，湍流擴(kuò)散和渦流夾帶對(duì)于0.3um粒徑的顆粒是其沉積的主要因素；慣性碰撞對(duì)于6.5um粒徑的顆粒影響最大；對(duì)于2.5um粒徑的