纤丝状可吸入颗粒物在呼吸道运动的气固两相流仿生实验和CFD-DEM数值模拟

批准号：

51176035

项目类别：

面上项目

资助金额：

63.0 万元

负责人：

钟文琪

依托单位：

东南大学

学科分类：

多相流热物理学

结题年份：

2015

批准年份：

2011

项目状态：

已结题

项目参与者：

孙宝宾、陶敏、周献光、陈晓乐、任冰、胡顥、沙春发

关键词：

仿生实验可吸入颗粒物离散元模拟气固两相流

项目摘要

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项目成果

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中文摘要

可吸入颗粒物经由呼吸系统对人体产生的危害，已引发了国际上众多多相流学者对其在呼吸道运动规律的研究热情。这是医学等学科对工程热物理学科提出的重要基础研究新课题，也是将来多相流研究领域一个前沿、难点和热点课题。.与现有研究不同的是，本项目率先围绕"法国梧桐树等自然过程和人造纤维生产等工业过程产生的纤丝状可吸入颗粒物在呼吸道迁移、粘附和沉积等运动机制"科学问题，通过建立呼吸道仿生实验系统并构建合适仿生环境，发展γ射线成像和微光纤成像的测量方法，研究纤丝状颗粒在呼吸道的宏观运动规律；此外，通过球元组合思想构建纤丝状可吸入颗粒，并建立其在三维呼吸道的受力和运动模型，基于CFD-DEM双向气固耦合离散元数值模拟，从颗粒尺度上研究纤丝状可吸入颗粒物在呼吸道的微观运动规律。.本项目预期在揭示机理的同时，也形成具有创新性的实验和数值模拟方法，丰富气固两相流研究手段，促进气固两相流在交叉前沿领域的应用和发展。

英文摘要

通过数值模拟和实验研究了纤丝状可吸入颗粒物在呼吸道内运动和沉积的机理。根据项目计划安排，对呼吸道气固两相流仿生实验系统进行了详细设计，完善了实验方案，构建了实验平台，完成了测试方法调试工作。开展了纤丝状可吸入颗粒物在呼吸道内的沉积实验，揭示了纤丝状可吸入颗粒呼吸道迁移、粘附和沉积的宏观机理。同时获取和重构了真实人体鼻腔模型，开展了数值模拟研究，揭示了纤丝状可吸入颗粒在呼吸道迁移、粘附和沉积的微观机理。..取得的创新性成果如下：..实验研究方面，提出了显微拍照-图像处理方法分析局部颗粒物沉积特性，在呼吸道研究领域首次定量地得到了纤丝状颗粒物沉积后的方向取向，揭示了纤丝状颗粒物长度、流量等因素对颗粒物方向角的影响。..数值模拟方面，首次将CFD-DEM方法应用于人体呼吸道，首次证明CFD-DEM适用于可吸入颗粒物在人体呼吸道内运动和沉积的研究。..通过CFD-DPM方法构建了多组分可吸入颗粒物与蒸气相互作用模型并进行了模型验证，模型精度达到世界先进水平，并首次对比了真实呼吸道壁面温度、湿度与理想条件对吸湿性颗粒物运动和沉积的影响..下呼吸道内可吸入颗粒物的模拟，验证了实验中通过匹配沉降因子和Stokes数预估颗粒物在下呼吸道内的沉积特性方法的可行性，证明下呼吸道内颗粒物沉积比存在最小值的预测，同时改进了沉积比随沉降因子和Stokes数变化的拟合公式。..发表SCI收录论文2篇（1篇近3年Web of Science他引10次，获表现不俗论文奖励），EI收录论文4篇，参加国际会议1次，国内会议2次（含1次特邀报告），目前尚有1篇SCI刊物论文在审，1篇SCI刊物论文正在修改。专利授权2项，申请3项。与美国北卡州立大学呼吸道内可吸入颗粒物数值模拟权威Clement Kleinstreuer教授建立了密切合作关系。.

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