呼吸流涡结构演化、压力和剪应力循环变动以及与气溶胶扩散转捩关系研究

人体上呼吸道内的呼吸气流运动会导致不同尺度涡结构的形成以及压力、剪应力的循环变动，从而影响气溶胶的扩散沉积，但目前还缺乏针对人体上呼吸道内呼吸流涡结构演化、压力与剪应力循环变动以及两者对气溶胶扩散转捩行为影响的深入研究。本项目以建立真实人体上呼吸道模型（考虑流-固耦合、壁面弹性、声门形状变化、软骨结构以及肺部非对称性等因素）为基础，通过数值模拟、PIV可视化实验和压力探针测量等手段，系统分析涡尺度、涡生存时间、涡心位置、涡强度等涡结构特征以及涡形成、发展、分离、合并、破碎的涡演化过程，阐明涡结构诱导的压力、剪应力循环变动形式，分析呼吸气流运动与压力、剪应力循环变动的关系，研究湍流转捩过程中气溶胶扩散及其转捩行为，揭示压力、剪应力循环变动对气溶胶扩散及其转捩行为的影响，为探索涡结构特征及演化过程、压力及剪应力循环变动形式和气溶胶扩散沉积与呼吸道疾病之间的内在联系提供科学依据。

摘要：人体上呼吸道内的呼吸气流运动会导致不同尺度涡结构的形成以及压力、剪应力的循环变动，从而影响气溶胶的扩散沉积，但目前还缺乏针对人体上呼吸道内呼吸流涡结构演化、压力与剪应力循环变动以及两者对气溶胶扩散转捩行为影响的深入研究。本项目以建立真实人体上呼吸道模型（考虑流-固耦合、壁面弹性、声门形状、软骨结构以及肺部非对称性等因素）为基础，通过数值模拟、PIV可视化实验和压力探针测量等手段，系统分析了涡尺度、涡生存时间、涡心位置、涡强度等涡结构特征以及涡形成、发展、分离、合并、破碎的演化过程，阐明了涡结构诱导的压力、剪应力循环变动形式，分析了呼吸气流运动与压力、剪应力循环变动的关系，研究了湍流转捩过程中气溶胶扩散及转捩行为，揭示了压力、剪应力循环变动对气溶胶扩散及其转捩行为的影响，为探索涡结构特征及演化过程、压力及剪应力循环变动形式和气溶胶扩散沉积与呼吸道疾病之间的内在联系提供了科学依据。