肺部多级分叉网络中细颗粒物沉积特性的数值模拟研究.doc

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规律,无法准确表征其沉积特性。因此,为解决模拟所需巨大颗粒数的问题,需要发展一种新的算法。其次,针对颗粒在一个3级分叉网络中的沉积问题,发展了基于颗粒分裂和融合的颗粒加倍及减半算法。当颗粒由主管路向下游分支运动时,采用颗粒加倍算法,与不加倍情况下入口释放的颗粒数量相比,加倍情况下入口只需释放约一半数量的颗粒,即可满足对其模拟,同时不同区域沉积的颗粒的数密度大致相同,不同方法获得的整体沉积率基本一致。对多级分叉管路,原有方法中入口需要释放的颗粒数越多,加倍算法越具有计算的优势。相应地,当颗粒由分支向主管路运动时,采用颗粒合并的减半算法,使分支合并的上游处颗粒数目减少一半,在满足统计要求的前提下,通过研究少量的颗粒也可以可靠地分析颗粒在壁面上沉积率的变化趋势。最后,针对具有节律呼吸特征的肺部颗粒输运问题,本文采用所提出的颗粒加倍算法开展了研究。在模拟的前半个周期中,入口释放了少量颗粒,采用颗粒加倍算法获得了颗粒在呼吸区的沉积特性。随后,利用分段函数,使后半个周期颗粒数量保持不变。结果表明,采用这一算法入口只需释放少量颗粒就使得到达呼吸区末端的颗粒数量满足了统计的要求,节省了计算资源。基于颗粒分裂与融合的颗粒加倍与减半算法作为一种新的模拟算法,解决了多级分叉系统模拟中对颗粒数量的要求与计算量巨大之间的矛盾,可以将其应用到各类多级分叉网络中,当模型级数及颗粒数需求越多时,新算法的优势越明显。