肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，包括如下步骤：根据预设的肺泡的几何参数建立肺泡的几何模型，对所述肺泡的几何模型进行网格划分，生成所述肺泡的动网格模型；获取所述肺泡对应的呼吸参数及流体参数；根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，模拟所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型；根据所述流场模型数值模拟测量所述肺泡在收缩和扩展过程时的流场特征。本发明还提供对应的系统，能缩短测量周期，减少运算负担，准确地描述肺泡内的流场特征。
【专利说明】肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及肺泡模拟检测【技术领域】，特别是涉及一种肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，以及一种肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量系统。
【背景技术】
[0002]人体呼吸的主要功能是为身体的各个组织提供氧气和排除二氧化碳废气，人体的呼吸过程可以分为两个阶段:由外界环境向血液输送气体；气体经由血液进入到各个组织。随着社会、经济的不断进步，人类对生活环境的质量要求不断提高，对生存环境的保护意识逐渐增强。工业生产和环境恶化所带来的颗粒物污染已经成为评价生活质量和大气质量的一个重要指标之一。大气气溶胶颗粒物污染中，其中的部分微小的气溶胶颗粒，尤其是可吸入颗粒对人类的健康的影响更是深远，在进入人体呼吸道后，没有沉积在呼吸道的传导气管上，而是深入到人体呼吸道终末处的肺部沉积，很多研究表明这些颗粒对人体健康的危害最大。研究指出，人类许多疾病都和可吸入颗粒物污染有着直接或间接的联系。肺泡是肺部气体交换的主要部位，研究可吸入颗粒物在肺泡中的运动特性，对于帮助了解可吸入颗粒的致病机理以及气溶胶治疗有着非常重要的意义。由于人体呼吸道的肺泡区的流动特征尺度为小于微米的量级，肺泡中的气相流动需要从微小尺度考虑气体流动特性，传统的实验手段进行肺泡内流程流动特性测量的方式，其周期长、计算量高且精度低，难以清楚地描述肺泡内的流动特性。
【发明内容】
[0003]基于此，本发明提供一种肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法和系统，能缩短测量周期，减少运算负担，准确地描述肺泡内的流场特征。
[0004]一种肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，包括如下步骤:
[0005]根据预设的肺泡的几何参数建立肺泡的几何模型，对所述肺泡的几何模型进行网格划分，生成所述肺泡的动网格模型；
[0006]获取所述肺泡对应的呼吸参数及流体参数；
[0007]根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，模拟所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型；
[0008]根据所述流场模型数值模拟测量所述肺泡在收缩和扩展过程时的流场特征。
[0009]一种肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量系统，包括:
[0010]建立模块，用于根据预设的肺泡的几何参数建立肺泡的几何模型，对所述肺泡的几何模型进行网格划分，生成所述肺泡的动网格模型；
[0011]获取模块，用于获取所述肺泡对应的呼吸参数及流体参数；
[0012]模拟模块，用于根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，模拟所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型；
[0013]测量模块，用于根据所述流场模型数值模拟测量所述肺泡在收缩和扩展过程时的流场特征。
[0014]本发明肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法和系统，通过对肺泡建立几何模型，再对肺泡的几何模型进行网格划分，生成所述肺泡的动网格模型，用以模拟肺泡在呼吸时的运动；接着获取所述肺泡对应的几何参数、呼吸参数及流体参数，根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，可模拟出所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型，根据生成的流场模型可测量出所述肺泡在收缩和扩展过程时的流场特征，能缩短测量周期，减少运算负担，准确地获取肺泡内的流场特征数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法在一实施例中的流程不意图。
[0016]图2为本发明肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法在一实施例中肺泡的几何模型示意图。
[0017]图3为本发明肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法在一实施例中肺泡的动网格模型示意图。
[0018]图4为本发明肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法在一实施例中肺泡及气管的模型示意图。
[0019]图5为一个呼吸周期内不同时刻时肺泡内部的流场流线图。 [0020]图6为吸气峰值时刻各级肺泡内部的流场流线图。
[0021]图7为呼气峰值时刻不同级肺泡内部的流线示意图。
[0022]图8为不同的呼吸强度下第七级肺泡在吸气阶段不同时刻肺泡内部的流场示意图。
[0023]图9为本发明肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量系统在一实施例中的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0025]如图1所示，是本发明肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法在一实施例中的流程示意图，包括如下步骤:
[0026]S11、根据预设的肺泡几何参数建立肺泡的几何模型，对所述肺泡的几何模型进行网格划分，生成所述肺泡的动网格模型；
[0027]S12、获取所述肺泡对应的呼吸参数及流体参数；
[0028]S13、根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，模拟所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型；
[0029]S14、根据所述流场模型测量所述肺泡在收缩和扩展过程时的流场特征；
[0030]本实施例中，通过对肺泡建立几何模型，再对肺泡的几何模型进行网格划分，生成所述肺泡的动网格模型，用以模拟肺泡在呼吸时的运动；接着获取所述肺泡对应的几何参数、呼吸参数及流体参数，根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，可模拟出所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型，根据生成的流场模型可测量出所述肺泡在收缩和扩展过程时的流场特征，能缩短测量周期，减少运算负担，准确地获取肺泡内的流场特征数据。
[0031]本实施例中，考虑到自然界的流动可以分为层流流动(laminar)和瑞流流动(turbulence)。从实验的角度来看，在层流流动中流体的层与层之间没有相互干扰，层之间没有质量的传递也没有动量的传递；而在湍流流动过程中，层与层之间的流体质点具有不断互相混渗的现象，速度和压力等物理量在时间和空间上具有随机性质的脉动值。
[0032]湍流是自然界普遍存在的流动，而层流属于个别的情况。常见的层流有毛细管或多孔介质中的流动、扰流物体表面边界层中的流动，层流一般出现在在流体的密度、特征速度和物体的特征长度较小，或者是流体的粘度很大等情况。同层流流动比较，湍流流动的研究比较复杂，至今一些基本的问题尚未完全解决。
[0033]根据人体呼吸道的几何形态，可以将空气在其中的流动视为管内流动，对于圆管内的流动可以定义Reynold数(Re数)为:
【权利要求】
1.一种肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，其特征在于，包括如下步骤: 根据预设的肺泡的几何参数建立肺泡的几何模型，对所述肺泡的几何模型进行网格划分，生成所述肺泡的动网格模型； 获取所述肺泡对应的呼吸参数及流体参数； 根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，模拟所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型； 根据所述流场模型数值模拟测量所述肺泡在收缩和扩展过程时的流场特征。
2.根据权利要求1所述的肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，其特征在于，所述肺泡的几何参数包括肺泡气管管长、内腔直径、肺泡直径、两个肺泡之间的中心距离和肺泡开口角。
3.根据权利要求1所述的肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，其特征在于，所述呼吸参数包括空气密度、呼吸周期和压力系数。
4.根据权利要求1所述的肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，其特征在于，流体参数包括气流的雷诺数、流体密度、流体速度和流体粘度。
5.根据权利要求1所述的肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，其特征在于，所述根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，模拟所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型的步骤包括: 根据下列公式在所述肺泡的动网格模型中数值模拟所述肺泡内的流场:
6.根据权利要求5所述的肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，其特征在于，所述根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，模拟所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型的步骤还包括: 根据下列公式在所述肺泡的动网格模型中模拟所述肺泡的收缩和扩展过程:
7.根据权利要求5所述的肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量方法，其特征在于，所述根据所述流场模型测量所述肺泡在收缩和扩展过程时的流场特征的步骤包括: 根据下式在所述流场模型中测量进出所述肺泡时的气流流量及所述肺泡在扩张和收缩时的气体流量:
8.—种肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量系统，其特征在于，包括: 建立模块，用于根据预设的肺泡的几何参数建立肺泡的几何模型，对所述肺泡的几何模型进行网格划分，生成所述肺泡的动网格模型； 获取模块，用于获取所述肺泡对应的呼吸参数及流体参数； 模拟模块，用于根据所述肺泡的动网格模型及几何参数、呼吸参数及流体参数，模拟所述肺泡收缩和扩展时肺泡内的流场模型； 测量模块，用于根据所述流场模型数值模拟测量所述肺泡在收缩和扩展过程时的流场特征。
9.根据权利要求8所述的肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量系统，其特征在于，所述模拟模块还用于: 根据下列公式在所述肺泡的动网格模型中模拟所述肺泡内的流场:
10.根据权利要求8所述的肺泡收缩和扩展过程的流场数值模拟测量系统，其特征在于，所述测量模块还用于: 根据下式在所述流场模型中测量进出所述肺泡时的气流流量及所述肺泡在扩张和收缩时的气体流量:
【文档编号】A61B5/08GK104027114SQ201410245720
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】李德波, 徐齐胜, 刘亚明 申请人:广东电网公司电力科学研究院