肺部支气管内气体流动和颗粒沉积的格子Boltzmann方法并行模拟研究

The results of epidemiological studies have confirmed that symptoms of respiratory diseases always occur in the trachea bifurcation part. And the increase of particle pollution highly associated with the increase of occurrence and mortality of Pulmonary diseases.Thus the study of transport and deposition of particulate matter in the human lung bronchial airways has important guiding significance to Toxicology, Therapy and human health assessment. Research in this area is mostly based on the Weibel symmetric model, using the traditional computational fluid dynamics methods, which is difficult to get real flow field structure and transient behavior. Based on the real human lung three-dimensional image reconstruction model,the project will put forward the adaptive meshing strategy。On the basis of the existing lattice Boltzmann methods, we will mainly study the elastic boundary processing method ,fluid-structure coupling model and the corresponding parallel algorithm design;realize the lattice Boltzmann algorithm on GPU using CUDA to simulate the gas flow inside,where the lattice gas automata method is adopted to simulate the movement of the particle.We will analysis the characteristics of the flow field and wall shear stress distribution in the lung bronchus on the normal and pathological state, explore the deposition regularity of particles in the lungs,promote the lattice Boltzmann method applied in the field of biological medicine.

流行病学研究的结果证实了呼吸系统疾病的症状多发生在肺部气管分岔部分，而颗粒物浓度增加与呼吸系统相关疾病的发病率及死亡率具有很强的相关性，因此研究真实人体肺部支气管内气体流动及颗粒物沉积的规律对毒理学、治疗学和人体健康评估等具有重要的指导意义。目前这方面的研究大多基于Weibel对称模型，数值方法主要采用传统的计算流体力学方法，难以得到真实流场的细致结构和瞬时特性。项目拟基于真实人体肺部图像 重建三维模型，提出自适应网格划分策略；在现有格子Boltzmann方法的基础上，重点研究弹性边界的处理方法、流固耦合模型及相应的并行算法设计；实现CUDA 环境下格子Boltzmann 方法对肺部支气管内气体流动的GPU 并行模拟，并利用格子气方法模拟颗粒运动。研究正常和病理状态下肺部支气管内流场以及壁面剪切应力的分布特性，探索颗粒物的沉积规律，推进格子Boltzmann 方法在生物医学临床领域的应用。

流行病学研究的结果证实了呼吸系统疾病的症状多发生在肺部气管分岔部分，而颗粒物浓度增加与呼吸系统相关疾病的发病率及死亡率具有很强的相关性，因此研究真实人体肺部支气管内气体流动及颗粒物沉积的规律对毒理学、治疗学和人体健康评估等具有重要的指导意义。首先，本项目采用格子Boltzmann 方法对不同分叉支气管模型内气体的流动进行了数值模拟，呈现了稳态和高频振荡条件下气流流场的特征，探究气管结构的形状特性对分离结构的影响，同时通过分离结构对气流流量分布的影响，分析抑制分离结构在实际呼吸过程中的生理学意义；其次基于GPU 的CUDA编程平台, 设计了D3G19模型的并行算法, 并以三维方腔流为例, 着重探讨了存储器访问优化等优化技术的作用；采用LBM-LGA 方法对颗粒物在肺部支气管内的沉积规律进行数值模拟，分别考察了雷诺数和斯托克斯数对于颗粒沉降规律的作用，同时，分析了不同的入流条件，包括入口流态和入口初始颗粒位置分布对于颗粒运动规律的影响，推进格子Boltzmann 方法在生物医学临床领域的应用。