（工程热物理专业论文）颗粒物在人体气管支气管模型中传输与沉积的数值模拟研究.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ep a r t i c l et r a n s p o r ta n d d e p o s i t i o ni nh u m a n t r a c h e o b r o n c h i a l a i r w a y s a p p l i c a n t ：q 坠坚i ：y 望望 m a j o r ：e 塾g i 卫星皇i 坠g ! 塾竺堡垒! 塾y 墨i 璺 s u p e r v i s o r ：! ：q ! 垒墨璺q 坠竺望2q i ：照q 望g a s s o c i a t e dp r o f e s s o rl i uw e i w e i s u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo fm a s t e r m a y ，2 0 1 1 s c h o o lo f e n e r g ys c i e n c ea n de n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，p r c h i n a 26m 4 5m肿ji9iijl哪y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：逛至么日期：_ 二边l 年上月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者躲蛆聊签名挚吼业年肛日 摘要 流行病学研究结果表明，大气环境中颗粒物浓度增加与呼吸系统 及心脑血管等疾病的入院率及死亡率密切相关。毒理学研究表明，通 过呼吸作用进入人体的颗粒物通过一系列行为( 沉积、吸收等) 对人体 健康产生影响。在呼吸系统内的沉积是颗粒物对人体健康产生影响的 前提，且颗粒物在肺部的沉积越深，产生的危害就越大。可见，研究 颗粒物在人体呼吸系统传输与沉积对于定量研究颗粒物的暴露风险 和剂量健康效应非常重要。另外，对呼吸系统等疾病的治疗，目前最 有发展前途的方法是吸入式治疗法。而如何使吸入式药物颗粒尽可能 多地到达这类疾病患者的病变部位，以提高吸入式疗法的治疗效果， 是目前研究颗粒物在人体呼吸系统内传输与沉积重要目的之一。 本文建立了三种呼吸道模型：( 1 ) g 3 g 6 级健康共面支气管模型， ( 2 ) g 3 一g 6 级非共面支气管模型，( 3 ) g 3 g 6 级阻塞支气管模型。通过 数值模拟来研究其内流场及颗粒物运动规律。分别采用欧拉法和拉格 朗日法来研究空气流动与颗粒物运动，其控制方程分别为三维稳态 n s 方程和牛顿第二定律方程。选择雷诺数、颗粒物粒径以及沉积机 理作为颗粒物沉积的主要影响因素，通过计算得出模型中空气流场的 分布特性和颗粒物沉积规律。通过改变这些影响因素来计算三种模型 内流场与颗粒物沉积形态的变化特点，从而得到这三种模型结构对流 场和颗粒物沉积特性的影响规律。 研究表明，主流和二次流对颗粒物的沉积形态有很大的影响；不 同粒径颗粒物沉积效率随雷诺数的变化趋势不同，沉积机理也有所不 同；颗粒物在三种模型内的沉积效率随雷诺数以及粒径变化的趋势比 较一致；受结构的影响，三种模型内流场的分布不同，颗粒物的局部 沉积形态也不一样；阻寒性呼吸道疾病患者在采用吸入式治疗时，当 呼吸速率比较低时，不利于颗粒药物的靶向传输，但有利于降低患病 部位对颗粒污染物的暴露风险，而当呼吸速率比较高时，颗粒药物的 粒径越大靶向性越好，且存在一个粒径使得颗粒药物的靶向传输最好。 关键词可吸入颗粒物，c f d ，g 3 g 6 模型，颗粒药物传输 a bs t r a c t a c c o r d i n gt oe p i d e m i o l o g i c a ls t u d y , t h ei n c r e a s e o fa i r b o r n e p a r t i c l e p o l l u t i o ni sh i g h l ya s s o c i a t e dw i t ht h ei n c r e a s eo f o c c u r r e n c ea n dm o r t a l i t yo f p u l m o n a r ya n dc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e s p u l m o n a r yt o x i c o l o g ys h o w st h a tt h e i n h a l e dp a r t i c l e sc a nd oh a r mt oh u m a nh e a l t hb ys e r i e so fb e h a v i o r s ，s u c ha s d e p o s i t i o na n da b s o r p t i o n h u m a nr e s p i r a t o r ys y s t e m i st h em a i nw a yt o e x p o s et ot h ep a r t i c u l a t em a t t e r , p a r to f w h i c hc a nb ed e p o s i t e di nt h eh u m a n l u n ga i r w a y s a n dt h e nc a u s es o m ea d v e r s eh e a l t he f f e c t s ，s u c ha sc h r o n i c o b s t r u c t i v ep u l m o n a r yd i s e a s e s ( c o p d ) a n da s t h m a o nt h eo t h e rh a n ds i d e ， i n h a l i n ga e r o s o lt h e r a p yi sr e c o g n i z e da sam o s tp r o m i s i n gr o u t ef o rt r e a t i n g t h er e s p i r a t o r yd i s e a s e sw o r l d w i d e h o w e v e r , i t ss t i l lu n k n o w nh o wt ot a r g e t t h ea e r o s o ld r u gt ot h ed i s e a s es i t e sa n di m p r o v et h et r e a t m e n te f f e c t t h u s k n o w l e d g eo fp a r t i c l et r a n s p o r ta n dd e p o s i t i o ni nh u m a nr e s p i r a t o r ys y s t e mi s e s s e n t i a lf o rq u a n t i t a t i v e l yu n d e r s t a n d i n gt h ee x p o s u r er i s ka n dd o s e h e a l t h e f f e c to f p a r t i c l e s ，a sw e l la sf o ri m p r o v i n g t h ei n h a l i n gt h e r a p ye f f i c a c y c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s i m u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e di nt h e t r i p l e b i f u r c a t i o ng e o m e t r yr e p r e s e n t i n gt h eh u m a nt r a c h e o b r o n c h i a lt r e et o m a k et h es t u d y t h r e em o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d ，t h e ya r eh e a l t h yp l a n a r , h e a l t h yn o n p l a n a ra n do b s t r u c t i v ep l a n a rt r i p l e - b i f u r c a t i o na i r w a y m o d e l s d e r i v e df r o mt h e3 mt o6 mg e n e r a t i o no fw e i b e la ( 19 6 3 ) m o d e l e u l e ra n d l a g r a n g em e t h o d sw e r es e l e c t e dt os i m u l a t et h ea i r f l o wp a t t e ma n dp a r t i c l e t r a j e c t o r yr e s p e c t i v e l y t h r e ed i m e n s i o n a ln - se q u a t i o n sa n d n e w t o n ss e c o n d l a ww e r et a k e na st h ec o n t r o le q u a t i o n s r e y n o l d sn u m b e r ，p a r t i c l ed i a m e t e r , a n dd e p o s i t i o nm e c h a n i s m sw e r ec h o s e na st h em a j o rf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e t h ea i r f l o ws t r u c t u r ea n dp a r t i c l ed e p o s i t i o np a t t e r n t h u si nt h i sp a p e r , t h e i n f l u e n c e so ft h e s ef a c t o r so nt h et h r e ep h y s i c a lm o d e l sw e r ec o m p u t e da n d a n a l y z e db yc h a n g i n gt h er e y n o l d sn u m b e r ，p a r t i c l ed i a m e t e ra n dd e p o s i t i o n m e c h a n i s m s r e s e a r c hs h o w st h a ta c h i e v e m e n to ft h ea i r f l o ws t r u c t u r ei st h eb a s i c k n o w l e d g ef o ru n d e r s t a n d i n gt h ep a r t i c l et r a n s p o r ta n dd e p o s i t i o np a t t e r n s a i r f l o ws t r u c t u r e s ，i n c l u d i n ga x i a lv e l o c i t ya n ds e c o n d a r yv e l o c i t y , c a n i n f l u e n c et h ep a r t i c l ed e p o s i t i o np a t t e r n s p a r t i c l e sm a i n l yd e p o s i ta tt h ei n n e r l i w a l lo ft h et u b e sw h i c he x p e r i e n c et h eh i g h e ra x i a lf l o wr a t ea n ds t r o n g e r i n w a ms e c o n d a r yv e l o c i t y f o rp a r t i c l e si n d i f f e r e n td i a m e t e r s ，d e p o s i t i o n e m c i e n c i e s ( d e ) a r ei nd i f f e r e n ti n c r e a s i n gt e n d e n c i e s ，a n dt h ed e p o s i t i o n m e c h a n i s m sa r ed i f f e r e n t f o rt h et h r e ed i f f e r e n tp h y s i c a lm o d e l s ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fa i r f l o wa n dp a r t i c l ed e p o s i t i o na r ed i s t i n c t l yd i f f e r e n tf r o m e a c ho t h e r , d u et ot h ed i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n s f o rp a t i e n t so fo b s t r u c t i v e a i r w a y s ，e g c h r o n i co b s t r u c t i v ep u l m o n a r yd i s e a s e s ( c o p d ) ，t h ee f f i c a c yo f t h e i n h a l i n gt h e r 印y i s h i g h l y a f f e c t e db yt h ea e r o s o ld i a m e t e ra n dt h e r e s p i r a t o r yr a t e k e yw o r d s p a r t i c u l a t em a t t e r , g 3 一g 6a i r w a ym o d e l ，c f d ，d r u g d e l i v e r y n i 目录 摘要】 a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景。1 1 1 1 颗粒物的健康危害l 1 1 2 颗粒物对呼吸系统的影响3 1 2 国内外研究现状8 1 3 本文的研究目的与内容9 第二章呼吸系统中颗粒物的数值模拟方法1 1 2 1 空气流动数值方法1 1 2 1 1 空气流动方程1 1 2 1 2 空气流动的数值模拟方法1 2 2 2 颗粒物传输与沉积模拟。1 2 2 2 1 颗粒物运动分析1 2 2 2 2 颗粒物的数值模拟方法1 3 2 2 3 颗粒物沉积评估参数1 3 2 3 误差分析和模型验证1 4 2 4 本章小结。16 第三章颗粒物在g 3 g 6 级共面健康呼吸道内的数值模拟1 7 3 1g 3 g 6 四级共面健康呼吸道模型。1 7 3 2g 3 一g 6 四级共面健康气管支气管流场的模拟。1 9 3 2 1 空气流动计算参数1 9 3 2 2 流场的模拟结果2 0 3 3 颗粒物传输与沉积的模拟结果2 2 3 3 1 雷诺数对不同粒径颗粒物沉积效率的影响一2 2 3 3 2 沉积机理对不同粒径颗粒物沉积效率的影响2 3 3 3 3 不同粒径的颗粒物在模型中的沉积形态一2 8 3 3 4 雷诺数对不同粒径颗粒物沉积分数的影响。3 0 3 4 本章小结31 第四章颗粒物在g 3 g 6 非共面健康呼吸道内的数值模拟3 2 i v 4 1g 3 g 6 四级非共面健康呼吸道模型3 2 4 2g 3 g 6 四级非共面健康气管支气管流场的模拟3 3 4 3 颗粒物传输与沉积的模拟结果3 5 4 3 1 雷诺数对不同粒径颗粒物沉积效率的影响一3 5 4 3 2 颗粒物在非共面健康模型中的沉积形态3 6 4 3 3 不同粒径颗粒物的沉积分数3 7 4 4 本章小结3 9 第五章颗粒物在g 3 g 6 共面阻塞呼吸道内的数值模拟4 0 5 1g 3 g 6 四级共面阻塞性气管支气管模型4 0 5 2g 3 g 6 四级共面阻塞性气管支气管流场的模拟一4 l 5 3 颗粒物传输与沉积的模拟结果4 4 5 3 1 雷诺数对不同粒径颗粒物沉积效率的影响4 4 5 3 2 颗粒物在阻塞性模型中的沉积形态4 5 5 3 3 颗粒物在阻塞性模型中阻塞管的沉积分数。4 6 5 4 本章小结4 7 第六章结论及展望4 9 6 1 全文总结4 9 6 2 研究展望5 0 参考文献51 1 1 1 9 1 谢! ；7 攻读硕士期间主要学术成果及参与的科研项目5 8 v 中南大学硕t 学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近十年来，探索空气污染与人类疾病之间关系的研究最受关注，且引起国际上的 最大争议【l 】。目前世界各国广泛采用的国家环境空气质量标准( n a a q s ) 均以环境 空气中的六种重要污染物( 臭氧、一氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、铅、以及颗粒物) 作为评价城市环境质量的依据。近年来，颗粒物( p m ) 已成为我国乃至世界各国城 市环境空气中的首要污染物，受到人们的高度重视与广泛关注，因为颗粒物不仅对全 球气候与城市能见度产生负面作用，而且对人们的身体健康有直接影响。流行病学研 究结果表明：大气环境中颗粒物浓度增加与呼吸系统及心脑血管等疾病的入院率及死 亡率密切相关。毒理学研究表明：通过呼吸作用进入人体的颗粒物通过一系列代谢行 为对人体健康产生影响。颗粒物健康效应主要影响因素有三方面1 2 1 ：( 1 ) 暴露时间； ( 2 ) 颗粒物浓度；( 3 ) 颗粒物毒性。 1 1 1 颗粒物的健康危害 流行病学是研究颗粒物浓度水平与人类疾病( 特别是呼吸系统、心脑血管等相关 疾病) 的发病率及死亡率之间的相关性。通过流行病学研究得到颗粒物暴露浓度与健 康反应之间关系曲线。近年来的流行病学研究结果均表明：( 1 ) 颗粒物暴露浓度与健 康反应之间具有明显的线性关系，即颗粒物浓度的线性增加或降低将导致疾病发病率 与死亡率的线性增加或降低；( 2 ) 颗粒物在很低浓度时仍具有健康效应，即不存在阈 值浓度不导致健康反应的最低浓度【l 。颗粒物暴露浓度与健康反应关系为公共 健康评价、预测颗粒物浓度增加或降低带来的健康效应、制定国家环境空气质量标准 表1 1 颗粒物短期与长期暴露导致的死亡风险增加率 a ) 短期暴露 中南大学硕t 学位论文第一章绪论 提供重要的科学参考与依据。根据颗粒物浓度与健康反应之间的线性变化规律，人们 通常采用关系曲线的斜率暴露浓度每增加l o p g m 3 的死亡增加率来进行直观 地比较、分析与计算颗粒物暴露浓度对健康反应的影响程度。如表1 1 分别统计了近 年来美国及欧洲城市的颗粒物短期与长期暴露的死亡风险增加百分率。a n d e r s o n 等人 1 5 】对欧洲2 9 个国家的短期颗粒物暴露健康反应进行时间序列分析表明，p m l o 质量浓 度每升高1 0 p g m 3 ，所有病因导致的病死率提高0 6 ，其中心血管病死率提高0 9 ， 呼吸系统疾病病死率提高1 3 。s a m e t 等人【6 1 对美国2 0 个城市的短期颗粒物暴露健 康效应进行时间序列分析表明，p m l o 质量浓度每增加1 0 p g m 3 ，所有病因导致的病死 率提高o 5 1 ，其中因心血管和呼吸系统疾病导致的死亡率均提高0 6 8 。d o c k e r y 等人r 7 】对美国6 个城市的称其颗粒物暴露健康反应进行队列序列分析表明，p m 2 5 浓度 没升高l o p g m 3 ，所有病因导致的死亡率增加1 3 ，其中因心肺疾病和呼吸系统疾病 导致的死亡率均提高1 8 。美国癌症协会a c s 对美国长期颗粒物暴露健康反应进行 队列分析，结果表明：p m 2 5 浓度每升高1 0 1 1 9 m 3 ，所有病因导致的死亡率、心肺病死 亡率和肺癌死亡率的危险性分别增加6 2 、9 3 、1 3 5 。 由上述数据可看出，长期队列分析方法得到的死亡风险增加率是短期时间序列法 的几十倍。基于时间序列的颗粒物短期健康反应非常小，这样每天由于高浓度颗粒物 暴露而导致的死亡人数就非常有限，表现出一种“收割 效应( h a r v e s t i n ge f f e c t ) 一 一加速或提前那些濒临死亡的疾病患者的死亡风险，最多提前几天或几周而已。这种 短期“收割效应显然不能解释长期颗粒物暴露对人们寿命长度的宏观影响【8 l 。 如何解释上述流行病学研究得出的颗粒物浓度对人群健康的影响? 从毒理学角 度来看，探索颗粒物对人体健康的不利影响，首先必须确定对颗粒物毒性起关键作用 的物理或化学属性。目前，颗粒物尺寸与化学组分受到人们高度重视，成为颗粒物毒 性的关键要素。 颗粒物粒径( 磊) 的影响比较直观， 容易理解。一方面，颗粒物越小，进入人 体呼吸系统的部位就越深，危害就越大， 甚至能够穿透肺泡进入人体血液循环影 响心脏、大脑、神经系统等重要部位1 9 1 。 如图1 1 所示：( 1 ) 粗颗粒物p m 2 5 1 0 主 要沉积在咽喉与气管等上呼吸系统；( 2 ) 细颗粒物p m l 2 5 可以进入支气管等下呼 吸系统；( 3 ) 更细的颗粒物p m o 1 - l 则能 够进入肺部；( 4 ) 超细颗粒物p m o 1 能够 穿透肺泡进入血液循环系统。另一方面， 2 、厣= p m 2 ，s i o 儡一? p m i - 2 5 蜘卜： p m o i - i 大脑、神经系统、血液v m o l 图1 - 1 颗粒物粒径与沉积部位的关系 中南大学硕t j 学位论文 第一章绪论 活性氧( r o s ) 1 l 氧化应激 细胞损伤 l( 脂类、蛋白类、d n a ) ( 疾病癌症) 图l - 2 颗粒物致病过程( 左) 及活性氧自由基对细胞的氧化损伤( 右) 颗粒物越小，其比表面积越大，表面吸附的有毒化学组分就越多。 颗粒物能够导致其到达部位或器官的炎症或损伤引发疾病，在这个过程中，我们 认为颗粒物尺寸大小主要决定“什么部位致病? ”，而颗粒物表面吸附的化学组分则 决定“为什么致病? 。 近年来，许多科学家都致力于探索大气颗粒物( p m ) 对机体的毒性机制，虽然迄今 为止确切的损伤机制仍不清楚，但“氧化损伤理论 假说得到了大量实验数据的支持 以及世界各国学者的普遍认刚1 0 】，其中活性氧r o s ( r e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s ) 与氧化 应激o s ( o x i d a t i v es t r e s s ) 是颗粒物致病的关键环节。颗粒物化学组分( 特别是金属 元素与有机成分) 在机体内能够产生活性氧r o s 一种活性很强的自由基( f r e e r a d i c a l ) ，通过诱导与催化多种化学反应，破坏细胞膜与细胞质中的脂类与蛋白质及细 胞核中的遗传物质d n a ，从而造成细胞损伤或变异，导致疾病与癌症【l l 】( 如图1 2 所示) 。这种由于活性氧过量产生导致的机体损伤作用称为氧化应激o s 。 1 1 2 颗粒物对呼吸系统的影响 呼吸系统是人体接触暴露颗粒污染物的主要途径。颗粒物进人人体呼吸系统能够 引起哮喘、慢性阻塞性肺病( c o p d ) 等呼吸系统疾病【1 2 1 ，而且颗粒物粒径越小进人呼 吸系统部位越深，超细颗粒物甚至能够穿透肺泡进人人体血液循环从而导致心脑血管 等相关疾病l i 川。近年来的流行病学研究已证实，颗粒物浓度增加与呼吸系统及心脑血 管相关疾病的发病率及死亡率具有很强的相关性【1 4 16 1 。颗粒物对人体健康的影响主要 取决于颗粒物在人体呼吸系统的沉积部位与沉积量【1 7 1 。因此，研究颗粒物在人体呼吸 系统沉积对于定量研究颗粒物的暴露风险( e x p o s u r er i s k ) 及剂量健康效应 ( d o s e h e a l t he f f e c t ) 非常重要。另一方面，颗粒物导致的呼吸系统疾病反过来又可 以采用药物颗粒( d r u ga e r o s 0 1 ) 进行治疗，临床上使用颗粒状药物经由呼吸道直接吸人 的方式被广泛用于哮喘、糖尿病等疾病的治疗【1 8 。2 1 】，而且具有无损伤、非侵入、效率 高、剂量小等优点。因此，研究颗粒物在人体呼吸系统沉积对于优化药物传输及靶向 3 中南丈学硕士学位论文 第一章绪论 表1 - 2 成年人w e i b e la 对称模型数据 g e n e r a t i o n l ( c m )v t ( c m 3 )v a ( c m 3 ) n 0 ( o ) 0 1 2 0 0 03 0 5 001 l 4 7 6 01 1 2 502 21 9 0 03 9 704 30 7 6 01 5 208 41 2 7 03 4 601 6 51 0 7 03 3 003 2 60 9 0 03 5 30 6 4 7o 7 6 03 8 5o1 2 8 8 0 6 4 04 4 502 5 6 90 5 4 05 1 7o5 1 2 l o0 4 6 06 2 101 0 2 4 l l0 3 9 07 5 602 0 4 6 1 20 3 3 09 8 204 0 9 6 1 3 0 2 7 0 1 2 4 5 08 1 9 2 1 4 0 2 3 01 6 4 0 o1 6 3 8 4 1 5 0 2 0 02 1 7 003 2 7 6 8 1 60 1 6 5 2 9 7 006 5 5 3 6 1 7 0 1 4 l 4 1 8 0 6 31 3 1 0 7 2 1 8o 1 1 76 1 1 0 2 1 02 6 2 1 4 4 1 90 0 9 99 3 2 0 6 3 0 5 2 4 2 8 8 2 00 0 8 3 l3 9 5 02 2 0 510 4 8 5 7 6 2 l0 0 7 02 2 4 3 0 4 3 5 82 0 9 7 1 5 2 2 20 0 5 93 5 0 0 0 8 8 2 04 1 9 7 1 5 2 2 30 0 5 05 9 1 0 0 1 5 0 1 58 3 8 8 6 0 8 o 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 3 5 治疗也具有重要的指导意义。颗粒物在人体呼吸系统传输与沉积是相当复杂的过程， 一方面，呼吸系统几何结构与呼吸生理过程非常复杂，另一方面，呼吸系统内部同时 存在空气流动与颗粒物传输两种过程。 人体呼吸系统可以采用w e i b e la 1 2 2 1 肺部对称模型来描述( 表1 - 2 ) 2 3 1 。口、鼻、 图1 4 人体呼吸系统结构与功能模型 4 量-o嚣叠基219墨一叁3蠢置。基- 中南大学硕e 学位论文第一章绪论 咽喉除外，从气管支气管到肺泡在结构上可分为2 4 级( g e n e r a t i o n so 2 3 ) ，每一段气 管末端都分成两段子气管。因此，气管( t r a c h e a ) 的数量为l ，则第n 级子管的数量为 2 n 。表中，l 指各级管道长度，v 。指每级管腔的总体积，v 。则是每级肺泡的总体积。 0 为每个子气管与其母管之间的夹角。从功能上人体呼吸系统可分为两个区( 图1 3 ) ： o 第o 1 6 级区域( g 0 g 1 6 ) 传导区( c o n d u c t i n gz o n e ) 。该区域主要包括气 管与支气管，形如树状，因此也称为气管支气管树( t b ，t r a c h e o b r o n c h i a lt r e e ) 。 气管与支气管仅供气体流动之用，不具备呼吸功能，不能进行气体交换； o第1 7 2 3 级区域( g 1 7 - - g 2 3 卜呼吸区( r e s p i r a t o r yz o n e ) 。此区域存在大量的肺 泡和毛细血管进行氧气和二氧化碳的交换，完成人体基本的呼吸作用，有时也称 为肺泡区。 空气中悬浮可吸入颗粒物能够通过呼吸系统进入人体，基本经历以下几个过程 ( 图1 4 ) ： 消化。首先，比较大的颗粒物( d p 5 p m ) 在人体i z l 腔与鼻腔迅速沉积，随后经 人体吞咽进入消化道代谢排出体外，对人体健康危害极小； 沉积。比较小的颗粒物( 1 d p 5 肛m ) 根据粒径从大到小依次在人体气管支气管 区( t b ) 与肺泡呼吸区( a l v e o l i ) 沉积； 呼出。更小的颗粒物( d p lr t m ) 或小颗粒物( d p 1 0 0 ，四个出口的流量分配比有如下大 小关系：面】 面2 面4 面3 。对于o u t l ( 即g 6 1 的出口) ，当雷诺数低于5 0 0 时， 流量分配比厩】随着雷诺数的增加而减小，而当雷诺数大于5 0 0 ，流量分配比则不随雷 诺数的变化而变化；对于o u t 2 ( i pg 6 2 的出口) ，在整个雷诺数范围内，流量分配比 币2 随着雷诺数的增加而缓慢减小，且在r e = 1 5 0 0 时，面2 与币】相等，当1 5 0 0 r e 2 0 0 0 ，厩2 屙1 ；对于o u t 3 ，当雷诺数低于5 0 0 ，流量分配比随雷诺数的增加快速 增大，然后再以相对缓慢的速度随雷诺数增加；对于o u t 4 ，流量分配比在 1 0 0 r e 2 0 0 0 范围内缓慢减小。可见模型内流体的速度越大其受模型摩擦阻力越 大，使得流场分配越不均匀。 3 3 颗粒物传输与沉积的模拟结果 3 3 1 雷诺数对不同粒径颗粒物沉积效率的影响 图3 5 展示了同时考虑惯性冲击与重力沉降两种沉积机理时，不同雷诺数下颗粒 物的沉积效率与1 d p 1 0p m 粒径范围内的变化关系。从图中可以看出所有雷诺 数范围内颗粒物沉积效率的总体趋势是：随着颗粒物粒径的增大而增大。这是因为该 粒径范围内颗粒物的主导沉积机理( 即惯性冲击和重力沉降) 是与颗粒物粒径相关的。 中南大学硕t 学位论文第三章颗粒物在g 3 g 6 级共面健康呼吸道内的数值模拟 1 0 0 8 0 6 0 文 岩4 0 2 0 0 12 34 567 g91 0 d p ( i i m ) 图3 - 5 不同雷诺数下颗粒物沉积效率与粒径的关系 若考虑雷诺数的影响，图中展示的五个雷诺数下的沉积效率变化规律有着比较大的区 别。当r e = 1 0 0 ，沉积效率随着颗粒物粒径的增大而缓慢增大。在d p = 1 01 t m 时， d e 达到最大值4 0 。可见在这一低雷诺数下，即低速流不利于1 1 0 岬颗粒物在 相对较大的支气管( 如本文所研究的g 3 g 6 模型) 中沉积。当r e 5 0 0 ，对于粒径小 于2i t r n 的颗粒物，沉积效率几乎为零：而对于粒径大于或等于3 1 t m 的颗粒物，其沉 积效率随着雷诺数的增大而迅速增大，且均在d p = 1 0g m 时达到最大值，最大值均 高于5 0 。这表明，粒径小( 小于2r t m ) 的颗粒物只能在低速流中发生沉降，而粒径 大( 大于31 t m ) 颗粒物的沉积效率随着粒径以及雷诺数的增大而增加。大量研究已经 表明，惯性冲击与重力沉降两种沉积机理作用的颗粒物粒径范围有所差别，但是模型 不同其作用的粒径范围也会有所不同，目前并没有这方面的研究。为了进一步说明图 3 5 中各粒径颗粒物在不同雷诺数下的沉积效率，也为了研究该模型下两种沉积机理 各自所作用的颗粒物粒径范围，下面将详细讨论颗粒物在不同沉积机理下所产生的沉 积效率。 3 3 2 沉积机理对不同粒径颗粒物沉积效率的影响 图3 - 6 ( a - h ) 展示的是整个雷诺数范围内颗粒物在不同沉积机理下的沉积效率，受 篇幅影响，只展示了8 个不同粒径的颗粒物如图所示。图中d e 件g 指惯性冲击与重力 沉降共同作用产生的颗粒物沉积效率，d e i 指的是只在惯性冲击作用下产生的颗粒物 沉积效率，而d e g 是指只在重力沉降作用下产生的沉积效率。在d p m 模型中d e g 不 能直接产生，而是通过d e i + g 减去d e i 得到。 如图3 - 6 ( a ) 所示，d p = 1r t m 的颗粒物，其沉积效率很小，最大值也只有0 4 2 。 其中在1 0 0 r e 4 0 0 范围内，d e i 随雷诺数增加，而d e 件2 和d e g 则随雷诺数的 2 3 7 6 5 墓4 山 o3 2 l o 02 0 0 4 0 06 0 0 鲫舢1 加o 姗1 6 0 0 1 8 0 02 0 0 0 ( a ) z 5 2 墓l 5 a 1 o 5 o 02 0 04 1 ) 06 0 0 d 姗1 2 1 4 0 0 1 6 0 0 姗2 0 0 0 02 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 0 1 2 0 01 4 0 01 6 0 0 姗2 0 0 0 0 2 0 04 0 06 0 0 啪l i r a 01 2 0 0 1 4 0 01 6 0 0 椭o2 0 0 0 ( c ) 7 0 营柏 岩 2 0 加 o 02 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 02 0 04 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 0 2 0 0 0 ( e ) o2 0 04 6 0 0 踟d 如1 2 1 6 0 0 姗2 0 0 0 ( 曲 d e h 0 2 0 04 0 06 0 0 咖1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 0 0 a ) d e | 图3 - 6 不同粒径颗粒物在不同沉积机理下的沉积效率随雷诺数的变化 2 4 6 s 4 3 2 l o 帖 啦 叭 。 一点o 笛 如 坞 s o c x u o 帖柏药巧蚯5 o 霉一u o 瑚加o l x ) u o m为加o 一点_ o 中南大学硕k 学位论文第三章颗粒物在g 3 g 6 级共面健康呼吸道内的数值模拟 增加而减小。当r e = 4 0 0 时，d e g 为零，即此时没有发生重力沉降。如图( b ) 所示， 对于d p - - - , 2 肛m 的颗粒物，其沉积效率依然很小，有着与d p = 1 “m 颗粒物沉积效 率相似的变化趋势。可见，粒径小于21 t m 的颗粒物在本文研究的支气管直径相对较 大的模型中的沉积量很少。 如图3 - 6 ( c ) 所示，d p = 3l a m 的颗粒物，其沉积效率与图3 - 6 ( a ) 和( b ) 有很大 区别，可以看到d e i + g 的u 型曲线。颗粒物沉积效率的变化趋势分三段：先随着雷诺 数的增加而减小，此时颗粒物的主要沉积机理是重力沉降，随着雷诺数的增加，即流 速的增大，重力沉降逐渐减弱，惯性冲击逐渐加强；然后保持在一个最小值却不随雷 诺数的增加而变化，此时惯性冲击与重力沉降相当；最后沉积效率又随雷诺数的增大 而增大，此时惯性冲击占主导，随着雷诺数的增加而加强。 如图3 - 6 ( d f ) 所示，对于粒径为4 、5 、61 t r n 的颗粒物，其沉积效率在整个雷诺数 范围内的变化趋势很接近，均可以看到d e i + g 的“、”型曲线。分别地，对于d p = 4r t m 的颗粒物，在1 0 0 r e 5 0 0 范围内，d e i + 叠和d e g 都随雷诺数的增加而减少到 2 左右。随后各自分开，d e i + 正随着雷诺数的增加而增大直到r e = 2 0 0 0 时，d e i + g 达到2 3 左右，而d e 。则保持在2 左右不再变化。这是因为对于此粒径的颗粒物， 低雷诺数下( 低于5 0 0 ) 主要的沉积机理是重力沉降，惯性只有在雷诺数高于8 0 0 之 后才开始起作用。对于d p = 51 t m 的颗粒物，在1 0 0 r e 4 0 0 范围内，d e i + g 和 d e g 都随雷诺数的增加而减少5 左右。随后各自分开，d e 随雷诺数的增大而增 大到4 3 ，而d e g 则继续随雷诺数的增加而减少，直到r e = 2 0 0 0 时，d e g 只有2 。 对于d p = 61 t m 的颗粒物，在1 0 0 r e 3 0 0 范围内，d e i + g 和d e g 都随雷诺数 的增加而减少1 0 左右。随后各自分开，d e i + g 随雷诺数的增大而增大到6 0 ，而 d e g 则继续随雷诺数的增加而减少，直到r e = 2 0 0 0 时，d e g 只有3 左右。这三个 粒径的颗粒物，在雷诺数小于某一个值时，惯性作用几乎等于零，只有当雷诺数大于 这个值之后，其作用才开始逐渐增强，且粒径越大该值越小，在图中所呈现出的就是 “”型曲线的钩越浅；而重力的作用在整个雷诺数范围内始终有效，只是随雷诺数的 增加而减弱。 当颗粒物的粒径大于7g r n ，比如图3 - 6 ( g ) 和( h ) 中8 和1 0 岬的颗粒物，其沉积 效率的变化趋势又与上述的不一样，可以看到d e i + g 的“4 ”型曲线。由惯性冲击 作用产生