基于分形理论的肺器官非线性气体渗流特性的细观研究

The air convection and gas diffusion in lung organ can directly affect the ventilation function and gas exchange efficiency of human respiratory system, it's therefore of great significance to investigate the nonlinear gas transport properties in order to explore the mechanisms of normal physiological and pathological lung organ. The objective of this project is to systematically study the mesomechanical gas dynamic behaviour in lung organ by theoretical analysis and numerical simulation as well as experimental measurement based on the seepage flow theory according to its porous and fractal characteristics. The current proposal includes the following research topics: (1) the statistical fractal scaling laws of human lung will be analyzed according to fractal geometry and renormalization group method; (2) the quantitative relationship between the mesomechanical construction and macroscopical function will be determined based on the global double-porosity model of human lung; (3) the local flow and mechanical performances will be studied by the multi-scale Monte Carlo method based on fractal theory; (4) the geometrical structure and morphometry will be optimized according to the seepage flow properties and spatial restriction of thoracic cavity in order to understand the constructional principle of human lung. It is expected that a complete series of models and approaches for nonlinear gas transport in human lung can be presented. The current project can further develop the theory of biological seepage flow and provide theoretical foundations for clinical treatment of related diseases.

人体肺器官中的气体对流和扩散过程直接关系到呼吸系统的通气功能和气体交换效率，因此研究其非线性气体输运过程对于揭示生理和病理条件下肺器官的工作机理具有重要的科学意义。本项目拟根据肺器官的多孔介质特性和分形标度行为，采用渗流力学的方法，通过理论分析、数值模拟和实验测量，系统研究肺器官中的细观气体动力学行为。具体研究内容：(1)根据分形几何理论和重整化群方法，研究肺器官的统计分形标度律；(2)建立肺器官气体输运过程的双重介质模型，确定肺器官的细观结构和宏观功能之间的定量关系；(3)采用基于分形理论的蒙特卡洛方法多尺度模拟气体传输过程，研究局域流动和力学性能；(4)根据肺器官的渗流特性以及腔体边界的限制，对其几何和拓扑结构进行优化，揭示其构造原理。通过本项目的研究，提出一套较完整的研究肺器官非线性气体输运的理论、方法和模型，进一步发展生物渗流理论，为相关疾病的临床治疗提供理论依据。

人体肺器官中的气体对流和扩散过程直接关系到呼吸系统的通气功能和气体交换效率。因此，建立肺器官输运过程的数学和物理模型，研究其非线性气体输运过程，对于揭示肺器官的工作机理和构造原理具有重要的科学意义。本项目根据肺器官的多孔介质特性和分形标度律，采用渗流力学的原理和方法，结合理论分析、数值模拟和实验测量手段，系统了研究了肺器官的输运过程和特性。通过本项目的研究，提出了一套较完整的研究肺器官非线性输运过程的理论和方法，进一步发展了细观渗流模型和生物渗流理论。. 本项目研究工作按照研究计划进展顺利，在执行期主要完成了以下方面的研究工作：. (1)分叉网络的拓扑性质和输运特性研究：考虑了支气管树的体积和腔体边界限制，根据支气管树的物理输运过程优化其拓扑结构；系统研究了支气管树的分形标度行为，采用对称双分叉模型和迭代算法生成了支气管树的拓扑结构；采用毛管模型研究了分形树状分叉网络的渗流特性。. (2)支气管树的单相和多相输运特性：结合分形分析和计算流体力学方法对支气管树的单相稳态气流、单相非稳态脉动流以及颗粒两相流输运过程进行了系统研究，建立了支气管树的全局输运特性和局域动力学行为的定量关联。. (3)人体肺器官的气体渗流模型及特性：根据肺器官的多孔介质特性和分形标度特征，采用双重介质理论建立了人体肺器官的气体渗流模型；研究了人体肺器官的渗流特性，推导了肺器官的有效渗透率，得到了细观结构对于宏观通气功能的影响规律。. (4)分形细观渗流模型：通过本项目的研究，进一步丰富和发展了渗流微观模型和理论。利用分形几何理论建立了非饱和多孔介质的气液两相渗流模型，利用分形分叉网络发展了分形双重介质模型，并将其应用在裂缝性多孔介质的渗流特性研究中。. 围绕上述研究要点，开展了较为系统的研究，基本完成了预定目标。在项目执行期，出版学术著作1部；完成学术论文14篇，其中正式发表SCI收录论文8篇(1篇综述论文)，已接受3篇，评审中3篇；作为首席客座编辑在SCI收录期刊出版专刊1期；发表会议论文5篇；授权实用新型专利5项。.