真实人类气道流动的比较分析
流体动力学
2025-10-17 v1 数值分析
数值分析
摘要
对人类气道流动的准确模拟对于推进诊断方法至关重要。许多现有计算研究依赖简化几何或湍流模型，限制了其解析流动特征（如剪切层不稳定性或二次涡旋）的能力。在本研究中，对呼吸过程中通过覆盖鼻部罩区域至第6支支气管分叉的详细气道模型进行了直接数值模拟。针对相对于鼻腔直径的两个生理学相关雷诺数进行仿真，即Re_p=400（静息）和Re_p=1200（呼吸升高）。这些数值特征于静息和中度升高呼吸条件。采用拉格朼日-布鲁姆方法进行直接流动模拟，即未使用湍流模型。我们在四个解剖区域中检验了流场：1）鼻腔，2）鼻咽和咽部，3）咽喉部和喉部，4）气管和支气管分叉。总压损在Re_p=400时为9.76 Pa，在Re_p=1200时为41.93 Pa。鼻腔在两种雷诺数下均占据压损的主要部分，尽管其相对贡献从Re_p=400时的81.3%下降至Re_p=1200时的73.4%。在Re_p=1200时，鼻咽弯曲部的二次涡旋以及喉部喷流的湍流剪切层增强了局部压损。相比之下，支气管分叉抑制了上游的不稳定性并稳定了流动。一个关键结果是，压损与四个区域中流动不稳定性发生的空间相关性。这提供了一种新视角，阐明了流动阻力和涡旋动力学如何随几何变化和流速变化而变化。
关键词
引用
@article{arxiv.2510.14320,
title = {Comparative Analysis of the Flow in a Realistic Human Airway},
author = {Mario Rüttgers and Julian Vorspohl and Luca Mayolle and Benedikt Johanning-Meiners and Dominik Krug and Michael Klaas and Matthias Meinke and Sangseung Lee and Wolfgang Schröder and Andreas Lintermann},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.14320},
year = {2025}
}