生物安全四级实验室是从事高危病原微生物实验操作的场所,存在一定的生物安全风险,病原微生物能以气溶胶粒子的形式通过呼吸道进入人体,在呼吸道粘膜和肺部扩散、沉积、复制、发病,对人体健康和生命安全造成严重威胁。另一方面,大气环境不断恶化,PM2.5等细颗粒物能够随呼吸进入呼吸道,导致肺功能下降、感染增加、呼吸道症状增加。研究人体肺腺泡区的流场特性与吸入颗粒物的沉积状态还有助于提高药物颗粒在病灶区的沉积率、增强药物作用的靶向针对性。由于人体肺腺泡结构复杂,尺寸微小,尚无法获得真实的计算机或实体模型,现行研究采用的模型均经过大量简化,其真实性和完整性都有待提升。再者,现行研究大多关注颗粒物在人体肺腺泡区最终沉积率,而对其沉积动态过程鲜有涉及,无法进一步了解人体肺腺泡区颗粒物的运动规律和动态沉积特性。另外,人体呼吸过程中,肺腺泡实际运动方式应为肺部压强作用下的被动变形,而现有研究中肺腺泡模型运动方式多为刚性固定或各向同性运动,无法反应真实肺腺泡的呼吸生理学特性,与肺腺泡实际运动差异较大。因此,建立更加真实、完整的肺腺泡模型,系统研究人体肺腺泡区流场特性与吸入颗粒物的沉积状态非常重要。本文在国内外研究的基础上,构建了更加符合人体实际的肺腺泡模型,数值模拟研究了肺腺泡模型、呼吸模式、重力方向、模型运动方式等因素对人体肺腺泡区流场特性和不同粒径颗粒物沉积状态的影响。主要工作及研究结果如下:(1)基于weibel A模型建立了G3～G7共5个人体肺腺泡几何模型,并对各模型进行了网格划分,完成了控制方程的建立、数值模拟方法的确定以及边界条件的设置,最终完成了人体肺腺泡数值模拟模型的建立,为后续数值模拟研究提供了模型支撑。(2)数值模拟研究了G3～G7模型中流场特性和不同粒径颗粒物的沉积状态,引入颗粒物沉积速度评价参数1/4沉积时间,对颗粒物沉积速度进行了研究,分析了不同粒径颗粒物沉积曲线特征。结果表明:随着级数的增加,肺泡内流场形态由循环状变化为辐射状。模型体积、总长度和几何结构是影响颗粒物沉积率的重要因素,由G3至G7模型,颗粒物沉积速度加快。0.1μm粒径颗粒物沉积曲线呈对数型分布。5μm颗粒物沉积曲线呈“S”型分布。0.3μm、3μm颗粒物分别呈较矮对数型沉积曲线和较矮“S”型曲线。其他粒径颗粒物沉积曲线基本呈折线型。(3)选用G5模型数值模拟研究了潮气量、呼吸周期对流场特性和不同粒径颗粒物最终沉积率、沉积速度的影响以及重力方向对颗粒物沉积率的影响。结果表明:模型内流场形态仅受模型结构影响,呼吸模式对人体肺腺泡区流场形态无影响。潮气量越大,颗粒物沉积率越高,沉积速度越快。呼吸周期越长,颗粒物沉积率越高,沉积速度越慢。同一呼吸状态下,随颗粒物粒径增加,沉积率呈现出两端高、中间低的“U”型变化趋势,1/4沉积时间随粒径增加呈倒U曲线。重力方向的改变对颗粒物沉积率影响不大,但会影响颗粒物沉积位置。(4)采用动网格算法,研究了模型的正弦扩张收缩运动对流场特性和颗粒物沉积规律的影响。结果表明:设计的动网格算法能够实现模型以正弦模式进行扩张收缩运动,且模型入口速度函数与刚性固定模式下最大误差5.23%。正弦扩张收缩运动下,模型内循环流消失,潮气量的增加有助于亚微米颗粒物沉积率的增加,但对模型内流场形态几乎无影响。正弦扩张收缩运动下,颗粒物沉积率随粒径变化趋势与刚性固定模式下基本保持一致。但两者U型曲线最低点稍有不同,而且,刚性固定模式下U型变化趋势较为陡峭,而正弦运动下U型变化趋势则相对平缓。此外,模型边界引起的对流作用能使小粒径颗粒物悬浮期更长,单个周期的数值模拟时间不足以考察颗粒物的沉积规律,必须进行多呼吸循环下的数值模拟研究才能获得更加真实的颗粒物运动规律。(5)建立肺泡囊流固耦合力学模型,研究了气流冲击和压强差驱动下的肺泡囊结构变化,对比研究了流固耦合运动对模型内流场特性和颗粒物沉积率的影响。结果表明:压强差是肺泡囊结构变形的主要因素,气流冲击对模型结构影响可以忽略不计。三种运动方式下,流固耦合运动能显著改变内部流场形态。沉积率方面,正弦模式下颗粒物沉积率较固定模式稍有增加,增长率约为5%。流固耦合运动下模型内颗粒物沉积率则大幅度提升,说明模型流固耦合运动是影响颗粒物沉积率的重要因素。综上所述,本文数值模拟研究了多因素对人体肺腺泡区流场特性和吸入颗粒物沉积状态的影响,建立了各项尺寸数据与文献一致的人体肺腺泡模型,能够满足不同研究对模型的需求。引入沉积速度评价参数1/4沉积时间,提供了评价颗粒物沉积速度的新视角,研究了颗粒物沉积的动态过程,归纳了各粒径颗粒物的沉积曲线特征。明确了压强差对肺泡囊结构变化的主导作用,总结了肺泡囊的结构变化过程,对比研究了模型流固耦合运动对模型内颗粒物沉积率的影响,对进一步了解人体肺腺泡区颗粒物的动态沉积特性和流固耦合运动有较大价值。