可吸入顆粒在人體鼻腔內湍流運動及沉積規律的研究

《可吸入顆粒在人體鼻腔內湍流運動及沉積規律的研究》是依託西安交通大學，由王斯民擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：可吸入顆粒在人體鼻腔內湍流運動及沉積規律的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王斯民
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

空氣中可吸入顆粒作為城市大氣環境的主要污染物之一，是人類呼吸道疾病的主要致病因素，可引起鼻炎等上呼吸道疾病。另一方面，由於藥物吸收迅速，且無肝臟首過效應、副作用小等優點，鼻腔噴霧給藥方式在國內外被廣泛地用於呼吸道疾病的臨床治療。本課題擬採用CFD數值模擬和Stereo PIV可視化實驗相結合的方法，選取適合模擬人體真實鼻腔內空氣流動的湍流模型並將鼻毛和鼻黏膜的影響考慮進壁面方程中，研究空氣在真實人體鼻腔內部的湍流流動特徵。通過等效的鼻腔內壁面粗糙度（鼻毛和鼻黏膜），採用壁面方程修正後的湍流模型和Lagrangian方法，研究不同密度、直徑、形狀的可吸入顆粒在實際呼吸模式下，在人體鼻腔內部的沉積分布特點。本課題研究結果可為醫務工作者研究可吸入顆粒物的致病機理提供有效的依據，同時為準確地輸送噴霧類藥物到達病患部位提供可靠的理論指導。本課題的研究工作具有很強的理論和實用研究價值。

結題摘要

設計並搭建了PIV流動測試實驗台，對空氣在人體鼻腔透明試件內的流動分布情況進行了實驗研究。通過PIV可視化實驗，得到了人體鼻腔內的流場分布結果，觀察到了不同入口條件下空氣在人體鼻腔內的湍流及漩渦運動規律，分析了微觀流場的分布特徵以及鼻腔結構特徵對流場分布的影響，並對模擬結果進行了有效的驗證。藉助ICEM-CFD軟體對人體鼻腔幾何模型進行格線劃分，構建了鼻腔CFD計算模型並進行了相關的計算模擬。採用不同的湍流模型進行計算，並將CFD數值模擬結果與PIV實驗結果進行對比，選用了Large-eddy模型並對壁面方程進行修正，使流體微團在壁面附近的脈動動能具有各項異性。鼻腔的幾何結構和空氣入口流量對其在鼻腔內的流動分布特徵影響較大。由於鼻閾橫截面積最小，此處流速最大。空氣主要分布在鼻腔的中下部區域，鼻腔內有明顯二次流存在，且鼻腔嗅區的流速最低。同時，建立了非穩態的呼吸過程的數學模型，研究了在人體實際的呼吸模式下，鼻腔內部非穩態流場和壓力場的分布特徵，得到了不同呼吸模式和幾何結構參數對鼻腔內部流場分布的影響。而且，對具有不同受力機理的微米和納米顆粒在人體鼻腔內的沉積分布規律進行了研究。得到了微米和納米顆粒在人體鼻腔內局部沉積分布特徵和整體沉積分布規律。結果表明，微米顆粒主要受曳力影響，幾何結構對其沉積分布影響很大。而納米顆粒由於主要受布朗力等影響，其顆粒在人體鼻腔內分布均勻。