可吸入颗粒在人体鼻腔内湍流运动及沉积规律的研究

空气中可吸入颗粒作为城市大气环境的主要污染物之一，是人类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，由于药物吸收迅速，且无肝脏首过效应、副作用小等优点，鼻腔喷雾给药方式在国内外被广泛地用于呼吸道疾病的临床治疗。本课题拟采用CFD数值模拟和Stereo PIV可视化实验相结合的方法，选取适合模拟人体真实鼻腔内空气流动的湍流模型并将鼻毛和鼻粘膜的影响考虑进壁面方程中，研究空气在真实人体鼻腔内部的湍流流动特征。通过等效的鼻腔内壁面粗糙度（鼻毛和鼻粘膜），采用壁面方程修正后的湍流模型和Lagrangian方法，研究不同密度、直径、形状的可吸入颗粒在实际呼吸模式下，在人体鼻腔内部的沉积分布特点。本课题研究结果可为医务工作者研究可吸入颗粒物的致病机理提供有效的依据，同时为准确地输送喷雾类药物到达病患部位提供可靠的理论指导。本课题的研究工作具有很强的理论和实用研究价值。

设计并搭建了PIV流动测试实验台，对空气在人体鼻腔透明试件内的流动分布情况进行了实验研究。通过PIV可视化实验，得到了人体鼻腔内的流场分布结果，观察到了不同入口条件下空气在人体鼻腔内的湍流及漩涡运动规律，分析了微观流场的分布特征以及鼻腔结构特征对流场分布的影响，并对模拟结果进行了有效的验证。借助ICEM-CFD软件对人体鼻腔几何模型进行网格划分，构建了鼻腔CFD计算模型并进行了相关的计算模拟。采用不同的湍流模型进行计算，并将CFD数值模拟结果与PIV实验结果进行对比，选用了Large-eddy模型并对壁面方程进行修正，使流体微团在壁面附近的脉动动能具有各项异性。鼻腔的几何结构和空气入口流量对其在鼻腔内的流动分布特征影响较大。由于鼻阈横截面积最小，此处流速最大。空气主要分布在鼻腔的中下部区域，鼻腔内有明显二次流存在，且鼻腔嗅区的流速最低。同时，建立了非稳态的呼吸过程的数学模型，研究了在人体实际的呼吸模式下，鼻腔内部非稳态流场和压力场的分布特征，得到了不同呼吸模式和几何结构参数对鼻腔内部流场分布的影响。而且，对具有不同受力机理的微米和纳米颗粒在人体鼻腔内的沉积分布规律进行了研究。得到了微米和纳米颗粒在人体鼻腔内局部沉积分布特征和整体沉积分布规律。结果表明，微米颗粒主要受曳力影响，几何结构对其沉积分布影响很大。而纳米颗粒由于主要受布朗力等影响，其颗粒在人体鼻腔内分布均匀。