肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法和系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，包括如下步驟：根據預設的肺泡的幾何參數建立肺泡的幾何模型，對所述肺泡的幾何模型進行網格劃分，生成所述肺泡的動網格模型；獲取所述肺泡對應的呼吸參數及流體參數；根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，模擬所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型；根據所述流場模型數值模擬測量所述肺泡在收縮和擴展過程時的流場特征。本發明還提供對應的系統，能縮短測量周期，減少運算負擔，準確地描述肺泡內的流場特征。
【專利說明】肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法和系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及肺泡模擬檢測【技術領域】，特別是涉及一種肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，以及一種肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量系統。
【背景技術】
[0002]人體呼吸的主要功能是為身體的各個組織提供氧氣和排除二氧化碳廢氣，人體的呼吸過程可以分為兩個階段:由外界環境向血液輸送氣體；氣體經由血液進入到各個組織。隨著社會、經濟的不斷進步，人類對生活環境的質量要求不斷提高，對生存環境的保護意識逐漸增強。工業生產和環境惡化所帶來的顆粒物污染已經成為評價生活質量和大氣質量的一個重要指標之一。大氣氣溶膠顆粒物污染中，其中的部分微小的氣溶膠顆粒，尤其是可吸入顆粒對人類的健康的影響更是深遠，在進入人體呼吸道后，沒有沉積在呼吸道的傳導氣管上，而是深入到人體呼吸道終末處的肺部沉積，很多研究表明這些顆粒對人體健康的危害最大。研究指出，人類許多疾病都和可吸入顆粒物污染有著直接或間接的聯系。肺泡是肺部氣體交換的主要部位，研究可吸入顆粒物在肺泡中的運動特性，對于幫助了解可吸入顆粒的致病機理以及氣溶膠治療有著非常重要的意義。由于人體呼吸道的肺泡區的流動特征尺度為小于微米的量級，肺泡中的氣相流動需要從微小尺度考慮氣體流動特性，傳統的實驗手段進行肺泡內流程流動特性測量的方式，其周期長、計算量高且精度低，難以清楚地描述肺泡內的流動特性。
【發明內容】
[0003]基于此，本發明提供一種肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法和系統，能縮短測量周期，減少運算負擔，準確地描述肺泡內的流場特征。
[0004]一種肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，包括如下步驟:
[0005]根據預設的肺泡的幾何參數建立肺泡的幾何模型，對所述肺泡的幾何模型進行網格劃分，生成所述肺泡的動網格模型；
[0006]獲取所述肺泡對應的呼吸參數及流體參數；
[0007]根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，模擬所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型；
[0008]根據所述流場模型數值模擬測量所述肺泡在收縮和擴展過程時的流場特征。
[0009]一種肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量系統，包括:
[0010]建立模塊，用于根據預設的肺泡的幾何參數建立肺泡的幾何模型，對所述肺泡的幾何模型進行網格劃分，生成所述肺泡的動網格模型；
[0011]獲取模塊，用于獲取所述肺泡對應的呼吸參數及流體參數；
[0012]模擬模塊，用于根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，模擬所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型；
[0013]測量模塊，用于根據所述流場模型數值模擬測量所述肺泡在收縮和擴展過程時的流場特征。
[0014]本發明肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法和系統，通過對肺泡建立幾何模型，再對肺泡的幾何模型進行網格劃分，生成所述肺泡的動網格模型，用以模擬肺泡在呼吸時的運動；接著獲取所述肺泡對應的幾何參數、呼吸參數及流體參數，根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，可模擬出所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型，根據生成的流場模型可測量出所述肺泡在收縮和擴展過程時的流場特征，能縮短測量周期，減少運算負擔，準確地獲取肺泡內的流場特征數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法在一實施例中的流程不意圖。
[0016]圖2為本發明肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法在一實施例中肺泡的幾何模型示意圖。
[0017]圖3為本發明肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法在一實施例中肺泡的動網格模型示意圖。
[0018]圖4為本發明肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法在一實施例中肺泡及氣管的模型示意圖。
[0019]圖5為一個呼吸周期內不同時刻時肺泡內部的流場流線圖。 [0020]圖6為吸氣峰值時刻各級肺泡內部的流場流線圖。
[0021]圖7為呼氣峰值時刻不同級肺泡內部的流線示意圖。
[0022]圖8為不同的呼吸強度下第七級肺泡在吸氣階段不同時刻肺泡內部的流場示意圖。
[0023]圖9為本發明肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量系統在一實施例中的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細說明，但本發明的實施方式不限于此。
[0025]如圖1所示，是本發明肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法在一實施例中的流程示意圖，包括如下步驟:
[0026]S11、根據預設的肺泡幾何參數建立肺泡的幾何模型，對所述肺泡的幾何模型進行網格劃分，生成所述肺泡的動網格模型；
[0027]S12、獲取所述肺泡對應的呼吸參數及流體參數；
[0028]S13、根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，模擬所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型；
[0029]S14、根據所述流場模型測量所述肺泡在收縮和擴展過程時的流場特征；
[0030]本實施例中，通過對肺泡建立幾何模型，再對肺泡的幾何模型進行網格劃分，生成所述肺泡的動網格模型，用以模擬肺泡在呼吸時的運動；接著獲取所述肺泡對應的幾何參數、呼吸參數及流體參數，根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，可模擬出所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型，根據生成的流場模型可測量出所述肺泡在收縮和擴展過程時的流場特征，能縮短測量周期，減少運算負擔，準確地獲取肺泡內的流場特征數據。
[0031]本實施例中，考慮到自然界的流動可以分為層流流動(laminar)和瑞流流動(turbulence)。從實驗的角度來看，在層流流動中流體的層與層之間沒有相互干擾，層之間沒有質量的傳遞也沒有動量的傳遞；而在湍流流動過程中，層與層之間的流體質點具有不斷互相混滲的現象，速度和壓力等物理量在時間和空間上具有隨機性質的脈動值。
[0032]湍流是自然界普遍存在的流動，而層流屬于個別的情況。常見的層流有毛細管或多孔介質中的流動、擾流物體表面邊界層中的流動，層流一般出現在在流體的密度、特征速度和物體的特征長度較小，或者是流體的粘度很大等情況。同層流流動比較，湍流流動的研究比較復雜，至今一些基本的問題尚未完全解決。
[0033]根據人體呼吸道的幾何形態，可以將空氣在其中的流動視為管內流動，對于圓管內的流動可以定義Reynold數(Re數)為:
【權利要求】
1.一種肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，其特征在于，包括如下步驟: 根據預設的肺泡的幾何參數建立肺泡的幾何模型，對所述肺泡的幾何模型進行網格劃分，生成所述肺泡的動網格模型； 獲取所述肺泡對應的呼吸參數及流體參數； 根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，模擬所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型； 根據所述流場模型數值模擬測量所述肺泡在收縮和擴展過程時的流場特征。
2.根據權利要求1所述的肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，其特征在于，所述肺泡的幾何參數包括肺泡氣管管長、內腔直徑、肺泡直徑、兩個肺泡之間的中心距離和肺泡開口角。
3.根據權利要求1所述的肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，其特征在于，所述呼吸參數包括空氣密度、呼吸周期和壓力系數。
4.根據權利要求1所述的肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，其特征在于，流體參數包括氣流的雷諾數、流體密度、流體速度和流體粘度。
5.根據權利要求1所述的肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，其特征在于，所述根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，模擬所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型的步驟包括: 根據下列公式在所述肺泡的動網格模型中數值模擬所述肺泡內的流場:
6.根據權利要求5所述的肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，其特征在于，所述根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，模擬所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型的步驟還包括: 根據下列公式在所述肺泡的動網格模型中模擬所述肺泡的收縮和擴展過程:
7.根據權利要求5所述的肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量方法，其特征在于，所述根據所述流場模型測量所述肺泡在收縮和擴展過程時的流場特征的步驟包括: 根據下式在所述流場模型中測量進出所述肺泡時的氣流流量及所述肺泡在擴張和收縮時的氣體流量:
8.—種肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量系統，其特征在于，包括: 建立模塊，用于根據預設的肺泡的幾何參數建立肺泡的幾何模型，對所述肺泡的幾何模型進行網格劃分，生成所述肺泡的動網格模型； 獲取模塊，用于獲取所述肺泡對應的呼吸參數及流體參數； 模擬模塊，用于根據所述肺泡的動網格模型及幾何參數、呼吸參數及流體參數，模擬所述肺泡收縮和擴展時肺泡內的流場模型； 測量模塊，用于根據所述流場模型數值模擬測量所述肺泡在收縮和擴展過程時的流場特征。
9.根據權利要求8所述的肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量系統，其特征在于，所述模擬模塊還用于: 根據下列公式在所述肺泡的動網格模型中模擬所述肺泡內的流場:
10.根據權利要求8所述的肺泡收縮和擴展過程的流場數值模擬測量系統，其特征在于，所述測量模塊還用于: 根據下式在所述流場模型中測量進出所述肺泡時的氣流流量及所述肺泡在擴張和收縮時的氣體流量:
【文檔編號】A61B5/08GK104027114SQ201410245720
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月4日 優先權日:2014年6月4日
【發明者】李德波, 徐齊勝, 劉亞明 申請人:廣東電網公司電力科學研究院