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屏气状况下重力方向对肺腺泡内颗粒物沉积特性影响的数值模拟（英文）

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纳米技术与精密工程 2018年第1期16卷 66-72页

作者：伍涛张鸿雁崔海航西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安710055

本文通过现有的肺腺泡区的二维几何模型,对由吸气转入屏气后肺腺泡区域的颗粒物沉积特性以及屏气状况下-y重力方向和+x重力方向对颗粒在肺腺泡内沉积的影响进行模拟.结果表明:在屏气情况下,粒径大(1μm,2μm,3μm)的颗粒运动受重力主导... 详细信息

本文通过现有的肺腺泡区的二维几何模型,对由吸气转入屏气后肺腺泡区域的颗粒物沉积特性以及屏气状况下-y重力方向和+x重力方向对颗粒在肺腺泡内沉积的影响进行模拟.结果表明:在屏气情况下,粒径大(1μm,2μm,3μm)的颗粒运动受重力主导,粒径小(0.01μm)的颗粒运动受布朗力主导,它们的沉积率随屏气时间的增加而快速增加,很快达到稳定;而中间粒径(0.1μm,0.5μm)的颗粒运动受重力和布朗力作用相当,沉积缓慢.不同重力方向会影响颗粒沉积到不同的位置,所以重力方向对肺腺泡整体沉积率几乎没有影响,但能影响肺腺泡特定区域的沉积率,与-y重力方向相比,+x重力方向能增加某些特定区域的沉积率.本文二维肺腺泡内颗粒物沉积的特性研究,将为肺部物质输运以及呼吸系统吸入疗法的深入研究提供可靠的理论依据.

关键词：肺腺泡屏气颗粒沉积重力方向整体沉积率分级沉积率

PM2.5细颗粒物在肺腺泡区运动及沉积的数值模拟

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纳米技术与精密工程 2015年第4期13卷 264-270页

作者：张鸿雁李彦辉崔海航西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安710055

采用数值模拟方法研究了肺腺泡区气流和可吸入颗粒的运动沉积规律．区别于以往的单级固定壁研究方法，本文利用Weibel-A模型中的肺腺泡几何数据，建立了完整覆盖0～8级肺腺泡区的二维几何模型，并通过动边界方法引入节律收缩／扩张的呼... 详细信息

采用数值模拟方法研究了肺腺泡区气流和可吸入颗粒的运动沉积规律．区别于以往的单级固定壁研究方法，本文利用Weibel-A模型中的肺腺泡几何数据，建立了完整覆盖0～8级肺腺泡区的二维几何模型，并通过动边界方法引入节律收缩／扩张的呼吸动力学机制．随后针对正常成年人平静呼吸状态，研究了人体肺腺泡区的非定常流场特性．在此基础上，在拉格朗日框架下研究了可吸入颗粒物的运动，统计了颗粒物的沉积率并对主要沉积机理进行了分析．结果表明：布朗扩散是粒径较小颗粒（0．01μm≤dp≤0．50μm）传输和沉积的主导因素，而重力沉降是粒径较大颗粒（0．50μm〈dp〈2．50μm）传输和沉积的主导因素；可吸入颗粒物在肺腺泡内的沉积率与颗粒密度以及粒径等因素密切相关．研究结果可以为可吸入颗粒物对人体健康影响的研究以及微流控人工肺的研究等提供依据．

关键词：肺腺泡 PM2.5 数值模拟动网格颗粒沉积

肺腺泡内三维流场特性及细颗粒物沉积的数值模拟研究

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肺腺泡内三维流场特性及细颗粒物沉积的数值模拟研究

作者：李彦辉西安建筑科技大学

学位级别：硕士

可吸入颗粒物在人体进行呼吸的过程中会随空气进入人体,并沉积在呼吸道表面,对人体呼吸系统造成危害。近年来,随着环境空气污染越来越严重,呼吸系统疾病、心脑血管疾病等的发病率和死亡率也急剧增加,特别是细颗粒物会随着气流进入呼吸... 详细信息

可吸入颗粒物在人体进行呼吸的过程中会随空气进入人体,并沉积在呼吸道表面,对人体呼吸系统造成危害。近年来,随着环境空气污染越来越严重,呼吸系统疾病、心脑血管疾病等的发病率和死亡率也急剧增加,特别是细颗粒物会随着气流进入呼吸系统的肺腺泡区并沉积在此,甚至会穿透肺泡壁进入人体血液循环系统,进而影响心脏、大脑等重要器官,危害非常大。此外,可吸入疗法作为目前很有发展前途的治疗呼吸系统疾病的方法,对于如何使可吸入药物颗粒物更有效的到达病灶区,提高治疗效果也值得研究。因此,研究肺腺泡区细颗粒物的沉积对肺部疾病的预防、治疗及可吸入疗法的发展都具有重要意义。目前,由于人体肺腺泡部位的真实生理结构具有尺度小(微米量级),肺泡数量多(3-4亿),结构复杂等特点,通过实验手段(如CT扫描)难以对其进行探测,目前仅存在组织学上的平面切片图形。此外,人体在呼吸过程中肺泡是变化的,这也增加了数值模拟的难度。本文在呼吸生理学和人体肺腺泡结构研究的基础上,以Weibel A模型为基础,通过假设和简化,建立了三维肺腺泡几何模型,通过动网格技术实现肺泡的动态变化。对空气流动和颗粒的传输分别采用欧拉法和拉格朗日法进行研究,其控制方程分别为气体流动的N-S方程和牛顿第二定律方程,在多物理场耦合软件COMSOL 4.3a平台上对三种不同呼吸状态下的空气流动和颗粒沉积进行了数值模拟计算。主要研究了肺腺泡区的整体流场特性,不同呼吸状态与不同肺腺泡级数肺泡内的流线形态,对0.05-3μm范围内不同颗粒粒径、不同密度及不同呼吸周期下的颗粒沉积率进行了统计分析。研究结果表明,三维肺腺泡内的模拟换气量与真实呼吸换气量在同一数量级,肺内压降随肺腺泡级数的增加而减小;通过对不同级数肺泡内的流线形态进行观察对比,可知肺泡内的流线形态仅与肺泡所处的肺腺泡级数有关,即仅与肺腺泡的几何结构有关,流线形态随着肺腺泡级数的增加呈现从循环状向放射状的变化。在忽略布朗力情况下,颗粒沉积率随颗粒粒径的增大而增大;重力沉降对1-3μm的颗粒沉积率影响较大,对0.05-0.5μm颗粒沉积率的影响可忽略。颗粒密度对0.05-0.5μm颗粒沉积率的影响可忽略,1-3μm颗粒沉积率随密度的增大呈线性增大。0.5μm、1μm、2μm颗粒的沉积率随呼吸时间的增大呈线性增大。将本文三维模型下颗粒物的沉积率和文献中二维模型沉积率进行对比,得出三维模型中颗粒物的沉积率整体高于二维模型的结论,引入颗粒沉积增长率分析了不同模型对不同粒径颗粒沉积率影响的大小,发现三维肺腺泡模型对大粒径颗粒物沉积率的影响大于对粒径小的颗粒物沉积率的影响。

关键词：肺腺泡动网格气流特性细颗粒物沉积数值模拟

门冬氨酸钾镁对低氧性肺动脉高压大鼠肺组织血栓素A_2、前列环素及肺腺泡内动脉结构的影响

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中国微循环 2007年第6期11卷 398-399页

作者：安昌善孙红花朴红梅金元哲延边大学医院呼吸内科吉林延吉133000 延边大学医学院生理学教研室

慢性低氧性肺动脉高压(HPH)的形成与腺泡内肺小动脉内皮增生、肥厚及无肌型动脉向肌型动脉转化有关。血栓素A2(TXA2)、前列环素(PGI2)之间存在相互调控关系,对HPH起着重要的作用。门冬氨酸钾镁是门冬氨酸钾盐与镁盐的等量混合物,目前临... 详细信息

慢性低氧性肺动脉高压(HPH)的形成与腺泡内肺小动脉内皮增生、肥厚及无肌型动脉向肌型动脉转化有关。血栓素A2(TXA2)、前列环素(PGI2)之间存在相互调控关系,对HPH起着重要的作用。门冬氨酸钾镁是门冬氨酸钾盐与镁盐的等量混合物,目前临床上广泛应用于治疗心血管疾病。本实验建立慢性HPH大鼠模型,旨在观察门冬氨酸钾镁对低氧性肺血管结构重建(HPVR)及肺组织TXA2、PGI2含量的影响,探讨低氧性肺血管结构重建的机制及防治作用。[第一段]

关键词：慢性低氧性肺动脉高压门冬氨酸钾镁大鼠肺组织血栓素A2 前列环素肺腺泡低氧性肺血管结构重建动脉结构

人体肺腺泡区流场特性与吸入颗粒物沉积状态的数值模拟研究

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人体肺腺泡区流场特性与吸入颗粒物沉积状态的数值模拟研究

作者：李鹏辉军事科学院

学位级别：硕士

生物安全四级实验室是从事高危病原微生物实验操作的场所,存在一定的生物安全风险,病原微生物能以气溶胶粒子的形式通过呼吸道进入人体,在呼吸道粘膜和肺部扩散、沉积、复制、发病,对人体健康和生命安全造成严重威胁。另一方面,大气环... 详细信息

生物安全四级实验室是从事高危病原微生物实验操作的场所,存在一定的生物安全风险,病原微生物能以气溶胶粒子的形式通过呼吸道进入人体,在呼吸道粘膜和肺部扩散、沉积、复制、发病,对人体健康和生命安全造成严重威胁。另一方面,大气环境不断恶化,PM2.5等细颗粒物能够随呼吸进入呼吸道,导致肺功能下降、感染增加、呼吸道症状增加。研究人体肺腺泡区的流场特性与吸入颗粒物的沉积状态还有助于提高药物颗粒在病灶区的沉积率、增强药物作用的靶向针对性。由于人体肺腺泡结构复杂,尺寸微小,尚无法获得真实的计算机或实体模型,现行研究采用的模型均经过大量简化,其真实性和完整性都有待提升。再者,现行研究大多关注颗粒物在人体肺腺泡区最终沉积率,而对其沉积动态过程鲜有涉及,无法进一步了解人体肺腺泡区颗粒物的运动规律和动态沉积特性。另外,人体呼吸过程中,肺腺泡实际运动方式应为肺部压强作用下的被动变形,而现有研究中肺腺泡模型运动方式多为刚性固定或各向同性运动,无法反应真实肺腺泡的呼吸生理学特性,与肺腺泡实际运动差异较大。因此,建立更加真实、完整的肺腺泡模型,系统研究人体肺腺泡区流场特性与吸入颗粒物的沉积状态非常重要。本文在国内外研究的基础上,构建了更加符合人体实际的肺腺泡模型,数值模拟研究了肺腺泡模型、呼吸模式、重力方向、模型运动方式等因素对人体肺腺泡区流场特性和不同粒径颗粒物沉积状态的影响。主要工作及研究结果如下:(1)基于weibel A模型建立了G3～G7共5个人体肺腺泡几何模型,并对各模型进行了网格划分,完成了控制方程的建立、数值模拟方法的确定以及边界条件的设置,最终完成了人体肺腺泡数值模拟模型的建立,为后续数值模拟研究提供了模型支撑。(2)数值模拟研究了G3～G7模型中流场特性和不同粒径颗粒物的沉积状态,引入颗粒物沉积速度评价参数1/4沉积时间,对颗粒物沉积速度进行了研究,分析了不同粒径颗粒物沉积曲线特征。结果表明:随着级数的增加,肺泡内流场形态由循环状变化为辐射状。模型体积、总长度和几何结构是影响颗粒物沉积率的重要因素,由G3至G7模型,颗粒物沉积速度加快。0.1μm粒径颗粒物沉积曲线呈对数型分布。5μm颗粒物沉积曲线呈“S”型分布。0.3μm、3μm颗粒物分别呈较矮对数型沉积曲线和较矮“S”型曲线。其他粒径颗粒物沉积曲线基本呈折线型。(3)选用G5模型数值模拟研究了潮气量、呼吸周期对流场特性和不同粒径颗粒物最终沉积率、沉积速度的影响以及重力方向对颗粒物沉积率的影响。结果表明:模型内流场形态仅受模型结构影响,呼吸模式对人体肺腺泡区流场形态无影响。潮气量越大,颗粒物沉积率越高,沉积速度越快。呼吸周期越长,颗粒物沉积率越高,沉积速度越慢。同一呼吸状态下,随颗粒物粒径增加,沉积率呈现出两端高、中间低的“U”型变化趋势,1/4沉积时间随粒径增加呈倒U曲线。重力方向的改变对颗粒物沉积率影响不大,但会影响颗粒物沉积位置。(4)采用动网格算法,研究了模型的正弦扩张收缩运动对流场特性和颗粒物沉积规律的影响。结果表明:设计的动网格算法能够实现模型以正弦模式进行扩张收缩运动,且模型入口速度函数与刚性固定模式下最大误差5.23%。正弦扩张收缩运动下,模型内循环流消失,潮气量的增加有助于亚微米颗粒物沉积率的增加,但对模型内流场形态几乎无影响。正弦扩张收缩运动下,颗粒物沉积率随粒径变化趋势与刚性固定模式下基本保持一致。但两者U型曲线最低点稍有不同,而且,刚性固定模式下U型变化趋势较为陡峭,而正弦运动下U型变化趋势则相对平缓。此外,模型边界引起的对流作用能使小粒径颗粒物悬浮期更长,单个周期的数值模拟时间不足以考察颗粒物的沉积规律,必须进行多呼吸循环下的数值模拟研究才能获得更加真实的颗粒物运动规律。(5)建立肺泡囊流固耦合力学模型,研究了气流冲击和压强差驱动下的肺泡囊结构变化,对比研究了流固耦合运动对模型内流场特性和颗粒物沉积率的影响。结果表明:压强差是肺泡囊结构变形的主要因素,气流冲击对模型结构影响可以忽略不计。三种运动方式下,流固耦合运动能显著改变内部流场形态。沉积率方面,正弦模式下颗粒物沉积率较固定模式稍有增加,增长率约为5%。流固耦合运动下模型内颗粒物沉积率则大幅度提升,说明模型流固耦合运动是影响颗粒物沉积率的重要因素。综上所述,本文数值模拟研究了多因素对人体肺腺泡区流场特性和吸入颗粒物沉积状态的影响,建立了各项尺寸数据与文献一致的人体肺腺泡模型,能够满足不同研究对模型的需求。引入沉积速度评价参数1/4沉积时间,提供了评价颗粒物沉积速度的新视角,研究了颗粒物沉积的动态过程,归纳了各粒径颗粒物的沉积曲线特征。明确了压强差对肺泡囊结构变化的主导作用,总结了肺泡囊的结构变化过程,对比研究了模型流固耦合运动对模型内颗粒物沉积率的影响,对进一步了解人体肺腺泡区颗粒物的动态沉积特性和流固耦合运

关键词：肺腺泡颗粒物沉积呼吸模式正弦扩张收缩运动流固耦合

节律收缩/扩张下肺腺泡内流场特性及细颗粒物沉积的数值模拟研究

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节律收缩/扩张下肺腺泡内流场特性及细颗粒物沉积的数值模拟研究

作者：李斐西安建筑科技大学

学位级别：硕士

在长期的进化过程中，人体建立起了复杂的分叉管路系统用于物质的输运，其特征尺度在μmm量级，具有复杂的运行机制，从而保证了其高效的传质功能。这其中，进行气体输运的呼吸系统与液体输运的血液循环系统在肺腺泡部位交汇，流动形态... 详细信息

在长期的进化过程中，人体建立起了复杂的分叉管路系统用于物质的输运，其特征尺度在μmm量级，具有复杂的运行机制，从而保证了其高效的传质功能。这其中，进行气体输运的呼吸系统与液体输运的血液循环系统在肺腺泡部位交汇，流动形态多样、力学机制相当复杂。特别地，部分细颗粒物会随着气流进入呼吸系统并沉积在这一部位，甚至穿过气血屏障进入血液循环系统，随后直接被带往全身各处。因此，肺腺泡部位在人体中具有特殊的地位及重要的研究价值。现阶段，对于肺腺泡部位的研究多以局部性质探索为主，几何上体现为仅对单节肺泡管或单个肺泡进行建模，而国内研究中兼顾肺腺泡部位整体及局部性质的几何模型尚未出现。本文对于几何模型的建立在综合了大量研究的基础上，以Weibel A模型为依据，对肺腺泡结构进行合理假设和简化，采用“流量赋值”的思想，分别建立了肺腺泡部位二维与三维的完整八级模型。基于所建立的肺腺泡完整模型，使用多物理场数值模拟软件COMSOL Multiphysics分别对平静呼吸(TV)、深呼吸(IC)、高频率呼吸(HFO)三种非稳态呼吸状态下的流场特性及0.01μm粒径范围内六种颗粒物的沉积规律进行了数值分析及研究。肺泡有节律地收缩/扩张使得气体进行流动，本模拟为了更加逼真地模拟肺泡壁面的运动，采用动网格技术对肺泡壁面进行了可动处理。对肺腺泡流场特性的研究同时使用了二维及三维理想几何模型，两者得到的模拟结果基本一致。通过对比三种不同呼吸状态下的雷诺数，证明了本文模拟方法和结论的合理性和可靠性。通过对比不同级肺腺泡中的流线形态，观察到随着肺腺泡级数的增加，肺泡内流线形态从循环状向放射性变化。对典型时刻特定级肺腺泡中的流线形态进行观察，发现除了呼/吸转换点外，特定级数上肺泡内流线状态保持不变。将不同呼吸状态下特定级数的肺泡内流线形态进行对比，看到特定级数肺泡内的形态一样，不因呼吸状态的不同而不同。通过综合比较典型时刻和不同呼吸状态的流线形态，推断出同一级肺泡内的流线形态仅取决于本级肺泡几何结构。从对肺腺泡每级进出口压力降的分析可知，压力降随时间变化的规律与肺泡收缩/扩张壁面速度的规律相一致，且分析结果符合宏观呼吸机理的解释。随着级数的增加，压力降逐渐减小，说明肺腺泡深处的压力分布较均匀。对细颗粒物沉积规律的研究仅使用了肺腺泡二维几何模型。颗粒整体沉积率和分级沉积率不与颗粒粒径呈单调函数关系，两者均随粒径的增大呈现先减小后增大的变化。通过研究布朗扩散和重力沉降这两种沉积原理对颗粒物沉积的影响效果，发现不同粒径范围内颗粒的主导沉积机理是不同的。重力沉降对0.5μm粒径范围内颗粒的沉积影响较大，而布朗扩散则对0.01.5μm粒径范围内颗粒的沉积影响不可忽略。颗粒密度对不同粒径颗粒沉积率的影响效果不同，粒径越大，影响效果越大，粒径越小，影响效果越小。随统计周期的加长，颗粒物整体沉积率逐渐提高，而3μm颗粒的这一现象却表现不明显。受重力控制的颗粒其运动轨迹以重力为导向，而受布朗力控制的颗粒其运动轨迹呈现杂乱无章的形态。研究肺腺泡内流场特性及细颗粒物沉积规律对评估可入肺颗粒物对人体危害提供了定量化的研究手段。

关键词：肺腺泡动网格流场特性颗粒物沉积数值模拟