可吸入颗粒物在人体上呼吸道中运动沉积的数值模拟

大气污染已成为人类面临最为严重的危机,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≤100μm的总悬浮颗粒物 (TSP)、 粒径≤10μm的可吸入颗粒物 (PM10) 与粒径≤2.5μm的小颗粒物 (PM2.5)。 其中粒径≤10μm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Weibel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RNGk-ε模型与大涡模拟 (LES) 的方法计算稳态呼吸与非稳态呼吸下三种呼 吸强度 (Q=30L/min,Q=60L/min和Q=90L/min)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-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。