可吸入颗粒物在不同阻塞性呼吸道内运动与沉积特性

庄加玮,刁永发,楚明浩,沈恒根 (东华大学环境科学与工程学院,上海 201620)

固体颗粒物是工业建筑中常见的污染物,可吸入颗粒物(PM10)进入呼吸道后会积聚在肺部,是工业尘肺病的主要诱因[1-2].慢性阻塞性肺病是尘肺患者常见且严重的合并症之一,发病率和死亡率都很高[3].流行病学研究也表明,长期暴露于高浓度颗粒污染物中会对人体呼吸系统造成严重损害[4-5].因此,掌握颗粒在慢性阻塞性肺病工人呼吸道内运动和沉积特性将有助于定量评估其暴露风险,对于保障工人健康及后期的治疗有实际应用价值.

颗粒污染物在人体呼吸道内传输和沉积涉及流体力学、环境学、生物医学等多学科交叉,早期有学者通过实验建立理想的局部呼吸道模型来研究颗粒的沉积率变化规律[6-8].随着 3D打印技术发展,气溶胶颗粒在真实人体呼吸道内沉积的研究也取得了进展[9-10].相关研究在Weibel-23级理想呼吸道模型基础上,建立了G3～G5的数值计算几何边界,通过实验证实了数值模型的准确性,为后期呼吸道两相流数值计算奠定了基础[11-12].目前CFD数值模拟已成为研究呼吸道内颗粒物运输和沉积特性的主流方法,研究内容包括:颗粒物的沉积机制[13-14]、不同特性颗粒物的沉积规律[15-17]、人体呼吸机制对颗粒物沉积的影响[18-19]、呼吸道内雾化给药[20-21]及各类参数(粒径、呼吸强度、呼吸道温度、湿度等)对颗粒物运输的影响[22-24]等.为提高数值计算的准确性,Zhang等[25]发现呼吸的瞬时特性对颗粒……