微重力效应下支气管阻塞与重开的气液弹动力学模型研究

基于我国载人航天计划正在面临的严峻国际形势,及生命科学向物理学、力学、技术科学等领域交叉渗透的学科发展趋势，综合运用生物力学、多相流体力学、流变学、计算流体力学等方法对微重力效应下的人体支气管阻塞与重开机理进行探索性理论、数值及实验研究。从三维非定常气液弹耦合动力学角度出发，建立支气管弹性管壁、粘液及空气运动的理论模型，运用统一的Oldroyd微分本构方程描述管壁及粘液的粘弹性流变学关系；基于运动网格上的有限体积法数值分析微重力效应下支气管阻塞与重开的动力学过程及其生理病理响应关系；利用等Bo数模化原则，在地面环境中实验模拟微重力效应下界面张力诱导的液膜失稳过程，实验测量液膜/液柱的基本动力学参数，补充、辅证理论及数值模型。项目工作对建设航天员生命保障及环境控制系统及其地面模拟、促进相关基础学科发展具有学术价值，同时为人工呼吸道的材料选型、构型设计及相关生物医学工程应用提供理论支持。

基于我国载人航天计划正面临的严峻国际形势,及生命科学向物理学、力学等领域交叉渗透的学科发展趋势,项目组对微重力效应下人体支气管阻塞与重开机理开展了理论、数值及实验研究,全面完成了计划书中的各项研究任务。所取得的研究进展及成果体现在如下8个方面：. （1）提出了一种求解轴对称格子Boltzmann-BGK方程解析解的方法，并采用格子Boltzmann颜色模型对液液两相流动进行了研究。. （2）对人体呼吸道内部气液两相流动进行了简化假设和几何建模，并开展了无量纲数分析。. （3）建立了非定常不可压缩两相流动问题的相场格子Boltzmann模型。. （4）运用相场格子Boltzmann方法对阻塞气道重开机理进行了数值研究。捕捉到了临界毛细数现象，并获得了有液滴和无液滴形成的两种气道重开现象，从而揭示了气道重开机理。. （5）改进了（4）中相场格子Boltzmann二维模型并推广到三维。改进后的模型可以恢复准确的界面捕捉方程，适用于描述两相界面变形和破裂，以及具有一定密度比的两相流动问题。. （6）开展了成年男子三级肺支气管道的内部流动实验与CFD数值研究。获得并比较分析了吸/呼气在两种工况条件下支气管内部各特征截面上的主流及二次流速度分布。. （7）发展了一种非结构化网格上的全速度SIMPLE算法并构建了两级并行计算模型，为对人体复杂呼吸道内部流场深入研究的大规模计算提供了基础技术储备。. （8）提出了一种基于界面/边界变量更新思想的切比雪夫拟谱方法区域分解法，有利于拓展拟谱方法解决诸如人体呼吸道等复杂计算域物理问题的能力。. 研究工作为进一步认识呼吸生理学、病理学的生物力学机理，建设航天员生命保障及环境控制系统，促进相关基础学科发展具有学术价值；同时为人工呼吸道的材料选型等生物医学工程应用提供理论参考。