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鼻腔内气流的流场、温度场和湿度场分布的研究

段佐刚  
【摘要】:鼻腔是周围环境大气和肺之间气体流动的入口通道。鼻腔是呼吸道的“第一关”,要拦截、清除随空气进入肺部的尘埃、细菌等有害物质,同时还要湿化和加温空气,以使在变化的温度与湿度下进入气管的空气在湿度基本上达到饱和,温度接近体温。可见,鼻腔在整个呼吸系统中起着很重要的作用。鼻腔发生病变时,会造成气流阻塞,严重者可因呼吸困难而死亡。由于鼻腔复杂的三维几何结构并且难以接近其内部,所以很难定量检测出鼻腔内不同部位的气体流动状况和压力分布,只能依靠其他方法间接测到鼻腔内压和主气道压力,这对疾病的诊治不利,因此有必要从力学的角度,研究呼吸时鼻腔内的气体流动以及加湿加温问题。 本文根据鼻腔详细的解剖学资料以及鼻腔断层扫描图数据,从鼻腔入口开始,依次提取20个断面上的数据,并根据所提取的数据在3dsmax中描绘出相应断面边界上的封闭曲线,然后依次插值封装这20个断面,建立了人体右鼻腔真实的复杂的鼻腔三维几何模型。笔者用有限元分析软件ANSYS对鼻腔模型划分网格单元,数值模拟了定常情况下最大吸气时鼻腔内气流的分布情况,并且分析了一个呼吸周期内鼻腔里面气流流动的详细分布情况。同时,通过计算确定了在平静呼吸时,气流在鼻腔内的流动是层流。通过对有限元计算模型研究,得知鼻腔内的气流流动状态主要是由它的复杂的三维几何结构决定。计算 结果显示,气流主要是沿着鼻腔的下鼻甲和中鼻甲之间的通道流动,并且在这 些地方,气流的阻力也是最低的。在鼻腔后部的鼻甲地方,鼻腔的截面积减小, 在这个地方的鼻甲结构也确定了通过鼻腔里的气流的路径。在呼吸周期内的不 同时刻,所得到鼻腔内流场和压力分布十分相似,只是相应时刻的速度和压力 的数值有很小的区别。在呼气过程中,在最大呼气时刻时,气流速度的最大值 比最大吸气时的大;呼气过程与吸气过程中的气流分布非常相似,并且在呼气 过程中,鼻腔里面的气流分布比吸气过程中的气流分布更均匀。 假定气流物性参数如密度、比热、粘滞系数、导热系数及质量扩散系数不 受温度变化影响,在得到鼻腔内气流分布的基础上,笔者求解对流扩散传热方 程,得到从鼻孔到喉部的温度场,(通道内非藕合层流换热)。并探讨了入口气 流温度变化对鼻腔内气流温度分布的影响。 鼻腔内的气体加湿实际上是鼻粘膜表面的水分在鼻腔内的对流传质问题。 其方程形式与对流扩散传热方程一样。本文通过变化热传导方程,使导热系数 对应于扩散系数,温度对应于水蒸汽浓度,得到了质量传递方程。笔者求解此 方程,讨论了入口气流湿度变化对鼻腔内气流湿度分布的影响。 计算结果显示,在鼻腔正常的情况下,尽管外界的温度不一样,但鼻腔的 温度经常保持在30OC一33“C,由此可见,鼻腔对进入其里面的冷空气有很好的 加温作用;同时鼻腔对进入其内的空气进行加湿,当入口气流湿度为60%时, 在鼻腔出口(喉部)的气流湿度平均达到90%以上。 本文所作的工作对认识鼻腔在生理、病理状态下的气流分布都很有意义, 对进一步研究鼻腔内气道病变受阻的气体流动状况等的理论研究和临床应用具 有较大帮助。 关键词:鼻腔气流分布温度分布湿度分布流场数值模拟


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