可吸入颗粒物在肺泡内的流动和沉积特性的数值模拟研究

Effects of inhalable particulate matter on human health has attracted wide attention, has become a hot topic in the field of aerosol. Most of the research on the motion law of respiratory aerosol concentration in the conduction of trachea with larger geometry size in upper and lower airway, but the exchange of respiratory gases, especially of the alveolar region is still relatively rare. Development for numerical simulation theory on alveolar regions of particles deposition, and understand the deposition of particles in the alveolar region, has very important academic value and engineering application prospect. This project aims to use computing method of dynamic fluid particles ( Computational fluid-particle dynamics, CFPD ), the deposition of flow characteristic of multiple alveolar tubes and different diameter particles in the alveolar; calculation theory and method for large-scale numerical development of multiple alveolar model, dynamic mesh technique on the basis of the gas phase flow and sediment characteristics the internal mechanism of deposition; reveals the impact of alveolar gas flow characteristics and particle; deposition efficiency of particles in the alveolar, and the law of absorption in the alveoli particle deposition and blood circulation and alveolar material exchange between, to provide a theoretical basis for the study of medicine.

可吸入颗粒物对人体健康的影响受到广泛关注，现已成为气溶胶领域的热点课题。国际上对呼吸道内气溶胶运动规律的研究多数集中在上呼吸道和下呼吸道几何尺寸较大的传导气管上，而对下呼吸道气体交换区,尤其是肺泡区域的研究还比较少见。开展肺泡区域颗粒沉积的数值计算理论的深入研究，对于深刻认识颗粒在肺泡区域的沉积规律，具有非常重要的学术价值和工程应用前景。本项目拟采用计算流体颗粒动力学方法(Computational fluid-particle dynamics, CFPD)，研究多节肺泡管内的流动特征和不同粒径的颗粒在肺泡内的沉积规律；发展基于多节肺泡模型、动网格技术的气相流动和颗粒沉积特性规律的大规模数值计算理论和方法；揭示影响肺泡内气体流动特征和颗粒沉积的内在机理；研究颗粒在肺泡内的沉积效率，以及颗粒沉积后在肺泡内吸收和血液循环和肺泡之间的物质交换的规律，为相关医药学的研究提供一定的理论依据。

空气中可吸入颗粒物，在进入人体呼吸道后，有一部分没有沉积在呼吸道的传导气管上，而是深入到呼吸系统肺泡区沉积，从而导致诸多疾病，如支气管炎、肺气肿、哮喘等。另一方面，越来越多的喷雾药剂被用在治疗呼吸系统疾病中。因此，了解和认识末端呼吸系统各个结构中的流场特点以及颗粒气溶胶的运动沉积规律非常重要。本项目采用计算流体力学（CFD）来模拟肺泡系统中的流场特性和颗粒的传输、沉积特性。连续相采用直接数值模拟（DNS）的方法计算，颗粒采用拉格朗日的方法追踪。主要研究内容包括以下三个部分： 第一部分是探究肺泡有节奏地收缩扩张对肺泡域内的流场和颗粒相的影响。结果表明：肺泡收缩扩张使得肺泡管与肺泡内的流体更易相互流通。肺泡的收缩扩张机制对亚微米颗粒产生的作用要远大于布朗力，因此亚微米颗粒更加容易地扩散进入并沉积在弹性肺泡内。 第二部分是探究肺泡弹性变形量对肺泡域内的流场和颗粒相的影响。结果表明：肺泡弹性形变量的不同对肺泡域内的流场强度以及流线分布的影响很小，几乎可以忽略。肺泡弹性形变量的不同对颗粒的传输特性的影响不大，但是对亚微 米颗粒（ ≤ 1.0）的沉积分布影响显著。肺泡弹性形变量的不同对亚微米 颗粒（ ≤ 0.1）以及大尺寸微米级颗粒（ ≥ 5.0）的沉积效率影响显著，对其余尺寸颗粒的沉积效率影响不大。具体表现为大弹性形变量会降低0.1颗粒的沉积效率，而小弹性形变量会降低5.0颗粒的沉积效率。 第三部分是探究颗粒的尺寸以及呼吸周期等非几何因素对颗粒沉积特性的影响。亚微米颗粒的传输主要受布朗力的作用，因此在计算域内的瞬态分布相对均匀；而小尺寸微米级（1.0μm~2.5μm）颗粒主要受流场曳力的作用，因此在计 算域内的瞬态分布随流场的不同而不同；而大尺寸微米级颗粒（5.0μm）主要受重力的作用，因此在计算域内偏向重力方向分布。呼吸周期对中尺寸的颗粒（1.0μm~2.0μm）的瞬态分布影响较为显著。因为呼吸周期越大，主流的速度衰减地越慢，主要受流场曳力影响的中尺寸微米级颗粒所受影响自然最为显著。而呼吸周期对多尺寸颗粒的沉积分布特性并没有显著的影响。