（工程热物理专业论文）可吸入颗粒物在人体上呼吸道中运动沉积的数值模拟.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 大气污染己成为人类面i 晦最为严重的危机，而大气中的悬浮颗粒物则是造成 大气污染的主要因素之一。悬浮颗粒物中主要有粉尘、煤烟及烟雾等各种固态或 液态颗粒，按照其粒径的大小可分为：粒径1 0 0 1 tm 的总悬浮颗粒物( t s p ) 、 粒径1 0 1 t m 的可吸入颗粒物( p m l o ) 与粒径2 5 u m 的小颗粒物( p m 2 5 ) 。 其中粒径l oum 的可吸入颗粒物能在大气中停留几天或数十天，漂浮范围从几 公里到上千公里，几乎不能靠重力沉降，并且可吸入颗粒物的表面吸附有大量的 有毒有害物质，因此它们不仅会对大气能见度和气候有巨大的作用，更对人体健 康造成巨大的威胁。大气中的可吸入颗粒物经呼吸道进入人体后，可导致呼吸道 炎症、慢性支气管炎、支气管哮喘等多种疾病，并成为促发肺癌、心血管疾病的 危险因素。因此，掌握可吸入颗粒物在人体呼吸道中的运动沉积状况对治疗学、 毒理学和人体的健康性评估都具有重要的指导意义，但迄今为止这方面的研究工 作还做的很少。 为此，本文在广泛参考对比了各种上呼吸道物理模型的基础上，结合加拿大 阿尔伯达省气溶胶实验室提出的理想化口腔咽喉模型及w e i b e l 模型a 中的气管 - 支气管模型，建立了一个完整的从口腔前三级支气管的三维几何模型。分别采 用r n gk - e 模型与大涡模拟( l e s ) 的方法计算稳态呼吸与非稳态呼吸下三种呼 吸强度( q = 3 0 l m i n ，q = 6 0 l m i n 和q = 9 0 l m i n ) 下的流场，同时在拉格朗日 框架下追踪可吸入颗粒物的运动轨迹，统计了颗粒的沉积状况。并把数值模拟得 到的可吸入颗粒物的沉积率与实验数据进行了比较，发现能较好的吻合。而且数 值模拟计算的结果表明了可吸入颗粒物在人体上呼吸道内的沉积率主要取决于 呼吸强度、颗粒大小与颗粒惯性三个主要因素。 本文的重点在于：其一，对各种上呼吸道几何模型的分析比较，并提出一个 较合理的从口腔一前三级支气管的完整三维几何模型；其二，采用两种湍流模型 计算流场，同时统计两种情况下可吸入颗粒物在人体呼吸道中各个部位的沉积 率，并把数值模拟的结果与实验数据进行对比，得到较适合用于人体呼吸道内气 流场计算的湍流模型；其三，分别分析了吸气过程与呼气过程中，呼吸道内所形 成的气流场，得出了呼吸道内的气流场特性；最后，通过对可吸入颗粒物在人体 呼吸道内运动沉积特性的分析，得到了影响可吸入颗粒物沉积的关键因素。 关键词：可吸入颗粒物；呼吸道：颗粒沉积；数值模拟；l e s ；r n gk 吒 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t m o s p h e r i cp o l l u t i o ni st h em o s ts e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e mw h i c hh u m a n a r ef a c e d 、析m a n da e r o s o lw h i c hi n c l u d ev a r i o u ss o l i do rl i q u i dp a r t i c l ea r ef o r m e d w i t hd u s t ，s o o ta n ds m o g ，i st h em a i nr e a s o no fa t m o s p h e r i cp o l l u t i o n a c c o r d i n gt o p a r t i c l ed i a m e t e gt h e r ea r et h r e ek i n d sc a r lb ed i v i d e d w h e nd p 1 0 0um i ti sn a m e d t s eo rw h e nd p 1 0um i ti sn a m e di n h a l a t i o n a lp a r t i c l e ( p m i o ) a n dw h e nd p 2 5 um ，i ti sn a m e dm i c r o - p a r t i c l e ( p m 2 5 ) a m o n gt h e s et h r e ek i n d so fa e r o s o l ， i n h a l a t i o n a lp a r t i c l en o to n l yc a r ls t a yi na t m o s p h e r ef r o ms e v e r a ld a y st os o m e d o z e n so fd a y s ，b u ta l s oc a r lf l o a tt oa n o t h e rf i e l dr a n g e df r o ms e v e r a lk i l o m e t r e st o t h o u s a n d so fk i l o m e t r e s i n h a l a t i o n a lp a r t i c l ed on o tb ed o w nt ot h ee a y t hb yg r a v i t y e f f e c t a n dp a r t i c l es u r f a c ew e r es u r r o u n d e dw i 也v a r i o u sp o i s o n o u sm a t t e r s s o i n h a l a t i o n a ip a r t i c l ei sn o to n l yt ot h ef u n c t i o no ft h ev i s i b i l i t ya n dw e a t h e r , b u ta l s o c o n t a i ng r e a ti n f l u e n c et oh u m a nb o d yh e a l t h t h e r ec o u l db el e a dt or e s p i r a t o r y i n f l a m m a t i o n ，c h r o n i cb r o n c h i t i s ，b r o n c h i aa s t h m aa n do t h e rr e s p i r a t o r yd i s o r d e r s ， e v e nt ol u n gc a n c e ra n dh e a r tb l o o dv e s s e ld i s e a s e s ，i fi n h a l a t i o n a lp a r t i c l ec r i d _ ei n t o h u m a nb o d yt h r o u g hr e s p i r a t i o nt r a c t t h u s ，t h e s t u d yo fi n h a l a t i o n a lp a r t i c l e m o v e m e n 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 yt r a c t ，t h e r e f o r e ，m a yp r o v i d e i m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rt h e r a p e u s i s ，t o x i c o l o g ya n dr i s ka s s e s s m e n tp r o t o c o l sf o r h u m a nh e a l t h i n e s s b u tf e ws t u d yh a sb e e nd o n eu n t i l lt o d a y b a s e do nv a r i o u sp h y s i c a lm o d e l so ft h eh u m a nu p p e rr e s p i r a t o r yt r a c t ，an e w e n t i r et h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r yf r o mm o u t h ，p h a r y n x ，l a r y n x ，t r a c h e at o t r i p l e b i f u r c a t i o n ，w h i c hu n i t e da ni d e a l i z e dm o u t h - t h r o a tm o d e lg e o m e t r yd e v e l o p e da t a r l a ( a e r o s o lr e s e a r c hl a b o r a t o r yo fa l b e r t a ) w i t hw e i b e l sl u n gm o d e la ，w a s p r o p o s e di nt h i ss t u d y t os o l v et h ep r i m a r yf l o wu n d e rt h es t e a d yr e s p i r a t i o na n d u n s t e a d yr e s p i r a t i o nt h a te a c hi n c l u d et h r e ek i n d so f b r e a t h i n gi n t e n s i t y ( q = 3 0 l m i n ， q = 6 0 l m i na n dq = 9 0 l m i n ) ，r n gk 一t u r b u l e n c em o d e la n dl e st u r b u l e n c em o d e l a r er e s p e c t i v e l yu s e d p a r t i c l e sa r et r a c e di nt h el a g r a n g i a nf r a m ea tt h es a m et i m e i n h a l a t i o n a lp a r t i c l ed e p o s i t i o ne f f i c i e n c yo b t a i n e df r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w r e l a t i v e l yg o o da g r e e m e n tw h e nc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti n h a l a t i o n a lp a r t i c l ed e p o s i t i o ne f f i c i e n c yl i e s o nb r e a t h i n gi n t e n s i t y , s i z eo f p a r t i c l ea n di n e r t i ao f p a r t i c l e t h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d et h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ：f i r s t l y , b a s e do nt h et h o r o u g h l yr e v i e wa n ds b l n l n a yv a r i o u sh u m a nu p p e rr e s p i r a t o r yt r a c t m o d e l st h e ne s t a b l i s ham o l er e a s o n a b l ee n t i r et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lf r o mm o u t h t ou p p e rt h r e eb r o n c h i ；s e c o n d l y , t od r a wt h ec o n c l u s i o no fw h i c ht u r b u l e n c em o d e li s 2 浙江大学硕士学位论文 m o r ef i tt os o l v et h ef l o wf i e l di nh u m a nu p p e rr e s p i r a t o r yt r a c t ，t w ok i n d so f t u r b u l e n c em o d e l sa r eu s e da n dc a l c u l a t e di n h a l a t i o n a lp a r t i c l ed e p o s i t i o ne f f i c i e n c y t h e nc o m p a r e dt o e x p e r i m e n t a ld a t a ；t h i r d l y , t h r o u g ha n a l y s e dt h ef l o wf i e l di n i n s p i r a t i o na n de x h a l a t i o n ，g e t st h ec h a r a c t e r i c t i co ff l o wi nr e s p i r a t o r yt r a c t ；a n d f m a l l y , o b t a i n e dt h em a i nf a c t o rw h i c hi n f l u e n c ei n h a l a t i o n a lp a r t i c l ed e p o s i t i o nb y s u m m a r i z i n gp a r t i c l ed e p o s i t i o ns t a t u si nh u m a nu p p e rr e s p i r a t o r yt r a c t k e yw o r d s ：i n h a l a t i o n a lp a r t i c l e ；r e s p i r a t o r yt r a c t ；p a r t i c l ed e p o s i t i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；l e s ：r n gk - 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着经济的发展，科技的飞跃，人类素质的全面提高，环境污染问题成为了 当今世界瞩目的焦点之一。环境污染包括大气污染，光污染，热污染，电磁污染， 放射性污染，噪声污染和电子污染等。其中，由于大气具有全球流动性，污染的 范围非常之广，所以大气污染成为了人类面临最为严重的危机。悬浮颗粒物则是 大气污染的基本要素之一1 1 1 2 1 1 3 1 。悬浮颗粒物中主要有粉尘、煤烟及烟雾等任何 固态或液态颗粒，它们对环境的危害程度主要取决于悬浮颗粒的大小、状态和组 成成分。 1 1 研究背景 1 1 1 可吸入颗粒物的定义及污染现状 大气中悬浮颗粒物通常按颗粒物的粒径大小来进行规类，粒径则一般用空气 动力学当量直径来表示。空气动力学当量直径是指与另一密度为l g m 3 的球形颗 粒具有相同沉降速度的颗粒直径：t s p l 4 是指在一定体积空气中被空气悬浮的空 气动力学当量直径。 1 0um ) 在空中滞留时间很短会在重力作用下 进行自然沉降。而粒径 _ _ 8 0 0 0 1 2 0 0 0 时管流为湍流；当2 3 0 0 喉部中由于有声门部位的缩放型喷嘴结构存在，气流流速达到整个呼吸 道内的最大值，气流流动方向真冲声门部位的前管壁处； 气流在达到气管上端时，径向速度方向朝向前管壁。而随着流动的发展， 同一横断面上的径向速度峰值出现位置会有所变化； 支气管中的气流比较平稳。上下两级支气管的分叉之处是气流变化较大 的地方。气流经过分流后，径向速度方向偏向内侧管壁。 呼气时，人体上呼吸道模型内的气流场特性为： 口腔中部有涡存在，并随着呼吸强度的加强涡对口腔中气流的影响范围 加大： 受到喉部收缩管道入射效应的影响，咽部临近后壁面处的流体流速较前 壁面侧的大： 喉部收缩段呼吸道内的流动呈现抛物线状流动，但速度最大值出现在临 近后壁面处： 支气管内的流动除了分叉处部位外，都是较规则的圆管道内抛物线状流 动。 通过对可吸入颗粒物在人体上呼吸道内沉积率的统计分析，本文得到了可吸 入颗粒物在人体上呼吸道中的运动沉积特性： 颗粒的运动方式受到气流流动的影响较大，颗粒的运动轨迹与气流流线 浙江大学硕士学位论文 相似，但在气流的回流区中颗粒被气流卷起的几率较小。稳态呼吸与非 稳态呼吸时所表现出来的颗粒运动轨迹图大致相仿，而非稳态呼吸时颗 粒所受到的扰动更为剧烈。呼吸道内有颗粒流未曾到达的空白区存在。 口腔中的颗粒沉积率最小，颗粒的运动轨迹与气流流线相似大致与舌头 平面平行，在口腔拱顶处颗粒受到的扰动增大； 由于咽部内存在流体阻力面，而且颗粒的运动速度较大，因而可吸入颗 粒物的沉积率相比口腔中的有所增大。 喉部则是整个人体上呼吸道模型中可吸入颗粒物沉积率最大的地方，而 且颗粒主要附着在声门收缩段内的前管壁侧。这与人体呼吸道炎症较多 的出现咽喉炎症状相一致： 气管内的可吸入颗粒物主要集中在气管上端与喉部交界处的前管壁侧， 而在支气管中则主要在上下两级支气管分叉处进行沉积。支气管内的颗 粒沉积率相比气管中的要小，穿过此几何模型的可吸入颗粒物一部分会 在下级支气管中进行沉积，另一部分则直接到达肺泡中严重威胁人体健 康； 可吸入颗粒物在呼气过程得到的沉积率要比吸气过程中的小的多，因此 颗粒的沉积主要表现在吸气阶段中。 而影响可吸入颗粒物在人体上呼吸道内进行沉积的原因主要取决于以下三 个方面： 一、可吸入颗粒物在人体上呼吸道中的沉积率随呼吸强度的提高而增大： 二、在一定的呼吸强度及相同的颗粒密度下，人体上呼吸道中可吸入颗粒物 的沉积率与颗粒的大小成正比； 三、在一定的呼吸强度及颗粒大小下，颗粒的密度越大沉积率越高。 本文此次所做工作的创新点主要表现在以下五个方面： 1 )本文在广泛的参考多种人体上呼吸道几何模型的基础上，对比分析了 各种几何模型的优缺点，建立了一个全新的、完整的、合理的三维几 何模型； 2 )首次结合大涡模拟( l e s ) 的方法，对人体上呼吸道中的流动进行研究； 3 )在数值模拟的过程中，不仅计算了稳态呼吸时的流场及颗粒沉积状况， 还更进一步的模拟了较符合人体呼吸实际状况的正弦波式的呼吸气流 状况； 4 )对可吸入颗粒物在人体呼吸道中各个部位的沉积率和附着状况的研 究，是工程方法用于人类呼吸道健康方面的新的研究方式； 5 )为研究开发上呼吸道疾病的喷雾治疗上，提供新的数据。比如，可以 考虑控制喷雾药剂的喷入速度，喷口形状以及雾化强度来把药物最大 浙江大学硕士学位论文 限度的投掷到所需医疗的部位，使之达到最好的医疗效果。 5 2 研究展望 在总结了本文所作的工作以后，作者认为以下几点有待研究和改善： 夺在几何模型的建立上，采用非对称的三维人体呼吸道模型更能符合人体 的实际情况； 夺同时加入鼻腔进行研究，由于在低呼吸强度时，呼吸主要经由鼻子而不 是口腔。同时将支气管级数增加，直至加入肺泡模型； 夺在数值模拟计算中采用动网格技术，动态显示呼吸状况，这使得能更直 观的显示呼吸时的气流特性： 夺在模拟正弦波式呼吸周期的基础上模拟真正的人类呼吸周期。 夺结合可吸入颗粒附着于呼吸道管壁后被人体进一步吸收，然后进入血液 循环的模型进行更系统全面的研究。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 郑楚光，洁净煤技术，武汉：华中理工大学出版社，1 9 9 6 陈建发，余华，总悬浮颗粒物( t s p ) 与可吸入颗粒物( p m i o ) 的污染状况比 较，甘肃环境研究与监测，2 0 0 3 ( 1 6 ) 4 ：3 3 0 3 3 l 任阵海，万本太，苏福庆等，当前我国大气环境质量的几个特征，环境科学研 究，2 0 0 4 ，1 7 ( i ) ：1 - 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1 9 4 4 j ne n g ljm a d2 0 0 0 ，3 4 3 ( 2 4 ) ：1 7 4 2 - 1 7 4 9 l i p p m a n nm ，l t ok ，n a d a sa ，e ta 1 a s s o c i a t i o no fp a r t i c u l a t em a t t e rc o m p o n e n t sw i t h d a i l ym o r t a l i t ya n dm o r b i d i t yi nu r b a np o p u l a t i o n s _ j 】r e sr e p h e a l t he f ti n s t ， 2 0 0 0 ，9 5 ，i - i v ： l - 8 4 d h k 李编，陈炎磐，张国高译，环境与健康一生产、生活环境因素对人体的作 用，人民卫生出版社，1 9 8 6 ：3 t 2 3 4 1 c h e n gy u n g - s u n g ，z h o uy u e ，c h e nb e a nt e ta 1 p a r t i c l ed e p o s i t i o ni nac a s to f h u m a no r a la i r w a y s a e r o s o ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，1 9 9 9 ，3 1 ：2 8 6 3 0 0 o r g l cb ，f i n l a yw h ，h e e n a na e ，r e g i o n a l a e r o s o l d e p o s i t i o na n d