鳥の肺内の流れとガス交換に関するバイオメカニクスとその工学応用

鸟类肺部流动与气体交换的生物力学及其工程应用

• 批准号: 13750161
• 负责人: 田中 学
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Chiba University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750161/
• 关键词: 鳥の肺; 呼吸; 生物流体力学; 振動流; 分岐管; 流量分配

本研究では鳥の肺内における流れとガス交換機序を明らかにしてその工学応用の可能性について検討することを目的とし,空力的バルビングといわれる流体力学的作用による一方向流れの発生メカニズムについて検討を行った.鳥の肺気道をモデル化した直角分岐管流路内に呼吸流れとして振動流を発生させ,分岐/合流時における本管内及び支管内の流量変化をレーザードップラ流速計を用いて測定した.また得られた流量分配の非対称性を,流れの可視化および差圧測定により検討した.さらに,鳥の肺にみられる気道分岐直前の収縮部が分岐部での流量分配特性に及ぼす影響を明らかにするため,分岐部上流にオリフィスを挿入した場合についても実験を行った.その結果,分岐流れの期間に支管入り口にはく離渦が形成されると,本管と支管に圧力差が生じ,支管から本管へ向かう定常循環流が発生することを明らかにした.また,分岐部上流に設置したオリフィスの影響により定常循環流の大きさが増加し,本管内で流れ方向の反転を伴わない一方向流れが得られることを示した.これはオリフィス後流に形成される圧力の低いはく離領域が分岐部を覆うことによって支管内の圧力が低下し,一方向流れ成分の駆動力となる本管と支管の平均圧力の差が増大することによるものと考えられた.これらの結果から,特に逆止弁のような機械的作用をもたらす機構を用いることなく,分岐管と分岐部上流の収縮部を組み合わせた単純な構造のみによって振動流から一方向流れを発生させることが可能であり,従来にない新しいポンプの機構としての可能性を明らかにした.

This paper discusses the possibility of engineering application of air force in the process of fluid dynamics in one direction of flow generation. The respiratory flow in the right-angle manifold flow path is generated by vibration flow, and the flow rate variation in the main pipe and branch pipe is measured by a flow meter at the time of branching/merging. The flow distribution and asymmetry of flow are obtained. The flow is visualized and the differential pressure is measured. The flow distribution characteristics of the branch and the branch are different. As a result, a vortex is formed at the inlet of the branch pipe during the branching period, a pressure difference is generated between the main pipe and the branch pipe, and a steady circulating current is generated between the main pipe and the branch pipe. The upper flow of the branch is set to increase the steady circulation current, and the opposite direction of the current in the pipe is accompanied by a direction of flow. The pressure in the branch pipe is low, and the difference in average pressure between the branch pipe and the branch pipe increases. As a result of this, the mechanism of the reverse flow is used in the manifold and the upper flow is combined in the manifold and the lower flow is combined in the pure structure.

项目成果

酒井 英司, 宮内 潤, 田中 学, 菱田 誠: "直角分岐管内振動流の流量分配特性に関する研究"第38回日本伝熱シンポジウム講演論文集. 1. 217-218 (2001)

Eiji Sakai，Jun Miyauchi，Manabu Tanaka，Makoto Hishida：“直角支管中振荡流的流动分布特性研究”第38届日本传热研讨会论文集1. 217-218（2001）。

田中 学, 酒井英司, 菱田 誠: "直角分岐管内振動流の流量分配特性に関する研究"日本機械学会論文集(B編). 67-672. 2209-2215 (2002)

Manabu Tanaka、Eiji Sakai、Makoto Hishida：“直角支管中振荡流的流量分布特性研究”日本机械工程师学会会刊（编辑 B）2209-2215。 ）

Gaku Tanaka, Eiji Sakai, Makoto Hishida: "Flow Distribution in a Right Angle Branch during Oscillatory Flow"IV World Congress Biomechanics, Proceedings CD. (2002)

Gaku Tanaka、Eiji Sakai、Makoto Hishida：“振荡流期间直角分支中的流动分布”第四届世界生物力学大会，论文集 CD。