肺部多级分叉网络中细颗粒物沉积特性的数值模拟研究

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肺部多级分叉网络中细颗粒物沉积特性的数值模拟研究
多级分叉是自然界中广泛存在的一种网络结构,如燃气通风空调管路、给排水管网、多级河道及人体的呼吸系统等。鉴于分叉网络所特有的跨尺度特性,目前已开展了大量相关研究,但受其级数众多的限制,通常仅能针对局部管路的流动特性进行详细研究。
当流动与颗粒物输运同时存在时,所要模拟的颗粒的数量与级数之间呈指数关系增长,求解这一类输运问题难度更大。人体的下呼吸道就是此类典型的分叉网络结构,研究微细颗粒物,如PM2.5,在其中的输运沉积就需要解决这一困难。
本文基于网络结构的对称性和粒子的统计平均特性,提出了通过颗粒分裂和合并的颗粒加倍与减半算法,可以大幅减少模拟的计算量,使得对多级分叉管路系统输运的模拟成为可能。主要工作如下:首先,在前期本课题组呼吸区流场模拟研究的基础上,本文开展了呼吸区颗粒沉积特性的研究。
研究发现,全尺度的模拟对计算性能要求较高,在入口释放颗粒的数量有限时,颗粒通常不能到达呼吸区的末端,无法对整个呼吸区颗粒沉积特性进行研究。尽管通过增加入口释放的颗粒数,可以增加可能到达呼吸区末端颗粒的数量,但这一颗粒数量偏少,不能反映系统的沉积统计 ...

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关键词：数值模拟 网络结构 排水管 课题组 呼吸道