人體呼吸道有限元模型及其對氣道局部收縮時氣體流動的數(shù)值模擬計算.pdf

1、支氣管哮喘是一種慢性的呼吸道疾病,正逐漸成為危害人類身體健康的重大難題。尤其是在包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家發(fā)病勢頭上升迅猛,哮喘病導致的死亡率也日益增長,哮喘病給全世界造成的經(jīng)濟損失已經(jīng)超過艾滋病和肺結(jié)核所造成的經(jīng)濟損失的總和。但哮喘病的病因與其發(fā)展機理至今還沒有得到完全的認知。
　　哮喘以氣道結(jié)構(gòu)改變和氣道對收縮刺激因素的高反應(yīng)性為病理特征,即氣道重塑和氣道高反應(yīng)性。肺氣管具有十分復雜的解剖結(jié)構(gòu),包括各級分支不斷變化的直徑、長度等

2、形態(tài)學變化,在正常與病理條件下,氣道各級結(jié)構(gòu)還會發(fā)生不均勻的收縮和擴張,從而導致氣道中復雜的氣體流動情況。盡管Weibel,Horsfield等對人類肺形態(tài)和氣道解剖結(jié)構(gòu)做了大量研究,但如何將復雜的氣道幾何學,氣道內(nèi)流動的氣體與變動的氣道壁進行耦合,以建立人類呼吸系統(tǒng)的計算生物力學模型,以模擬氣道內(nèi)氣體的流動和物質(zhì)傳輸?shù)热跃哂刑魬?zhàn)性。
　　計算流體力學(Computational Fluid Dynamics CFD)是一種有限元

3、分析方法,主要求解的是納維-斯托克斯(Navier-Stokes N-S)方程,即將整個流體、燃燒等過程分散成在微小尺度內(nèi)關(guān)于基本流體假設(shè)成立的多個方程,并通過最終聯(lián)立求解的計算過程。是運用計算機和離散化的數(shù)值分析計算方法對流體問題進行模擬并分析計算的方法。
　　本文根據(jù)Horsfield、Tawhai呼吸道氣道模型參數(shù),運用AutoCAD、SolidWorks工程軟件,建立人類呼吸道氣道理論模型,將理論模型結(jié)構(gòu)導入COMSOL

4、Multiphysics仿真系統(tǒng),并對G0氣道局部區(qū)域施加模擬局部收縮,通過對G0氣道流體入口速率與收縮內(nèi)徑阻塞范圍變化,運用CFD進行整個G0-G3氣道內(nèi)的流體流場分析與數(shù)值分析。數(shù)值模擬的結(jié)果表明,采用以上方法建立的呼吸道有限元理論模型,可以得到氣道收縮過程中呼吸道內(nèi)流體流速分布、流場線動態(tài)變化、氣道管壁壓力分布,而當呼吸道內(nèi)徑阻塞范圍超過1/3管徑和下呼吸道入口流體流速達到一定數(shù)值的時候,氣道的收縮區(qū)域內(nèi)開始出現(xiàn)流體流場線回旋,同