气溶胶在覆有黏液层的纤毛气道中的沉积

我们研究了吸入气溶胶在中间代、覆有黏液层的肺气道中的输运与沉积，旨在理解空气传播的颗粒是否以及如何避开黏液层并沉积在气道壁上——对于过敏原和病原体而言，这种结果是有害的，但对于雾化药物则是有益的。我们采用 Dietze 和 Ruyer-Quil（J. Fluid Mech., vol. 762, 2015, pp. 68-109）的加权残差积分边界层模型来描述黏液-空气界面的动力学以及两相中的流动。通过黏液底部的粗粒化边界条件，还考虑了壁面附着纤毛引起的黏液输运。我们表明，毛细力驱动的 Rayleigh-Plateau 不稳定性通过将黏液拉成大的环形隆起，留下大面积暴露于颗粒的壁面区域，从而在颗粒沉积中起重要作用。我们反直觉地发现，这些黏液耗竭区随黏液体积分数的增加而扩大。使用增广了布朗力的 Maxey-Riley 方程对跨越一定尺寸范围（0.1 至 50 微米）的颗粒进行建模。我们发现沉积对尺寸的依赖是非单调的。小颗粒因布朗运动而跨越流线扩散，而大颗粒则因惯性力被甩出流线——特别是当空气流经黏液隆起时。中等尺寸的颗粒类似示踪粒子，沉积最少。值得注意的是，增加黏液体积未必会增加截留：其效果取决于颗粒尺寸，因为更多的黏液不仅产生更深的隆起以拦截惯性颗粒，也产生更大的黏液暴露区，使扩散性颗粒得以沉积在壁上。