[發明專利]一種呼吸系統內煙氣沉降模擬系統

在審

• 申請號: 201811223548.7
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109584695A
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 翁文國;許笑羽;付明;鄭昕;倪順江;金鑫明;王健;徐暢
• 申請（專利權）人: 清華大學合肥公共安全研究院;清華大學
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 合肥和瑞知識產權代理事務所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種呼吸系統內煙氣沉降模擬系統，其特征在于：包括呼吸道模型、CFD仿真模擬煙氣顆粒沉降模塊、模型數據輸出模塊、外界環境參數庫模塊以及模型數據與環境參數耦合模塊；

所述呼吸道模型用于模擬按生理結構劃分區域的真實呼吸道；

所述CFD仿真模擬煙氣顆粒沉降模塊用于計算呼吸道模型內各區域的顆粒沉降分數；

所述模型數據輸出模塊用于輸出CFD仿真模擬煙氣顆粒沉降模塊計算得到的各劃分區域的顆粒沉降分數；

所述外界環境參數庫模塊用于提供真實環境的煙氣顆粒參數；

所述模型數據與環境參數耦合模塊用于將模型數據輸出模塊得到呼吸道模型內各區域的顆粒沉降分數與外界環境參數庫模塊中的煙氣顆粒參數耦合，得到呼吸道模型內各區域的沉降劑量。

2.根據權利要求1所述的呼吸系統內煙氣沉降模擬系統，其特征在于：所述呼吸道模型是由真實人體呼吸道的計算機斷層掃描圖像導入至MIMICS軟件中經分層識別構建的；按生理結構劃分的區域包括鼻腔、口腔、咽喉、氣管支氣管4大部分。

3.根據權利要求2所述的呼吸系統內煙氣沉降模擬系統，其特征在于，所述各劃分區域的顆粒沉降分數的計算過程包括：結合真實呼吸道組織內流場分布特點，建立呼吸道模型內流場，調整相關參數進行CFD計算；不考慮顆粒間的相互作用，單個顆粒主要受到拉曳力、Saffman力、布朗力、熱泳力四種力的作用，單個顆粒于呼吸道模型內流場中的運動受力如公式(1)；顆粒在呼吸道模型中運動時在離呼吸道模型壁面的距離小于顆粒半徑時記為發生沉降，其余未沉積顆粒從呼吸道模型下端離開呼吸道模型，記為進入肺部；統計呼吸道模型內的鼻腔、口腔、咽喉、氣管支氣管4大劃分區域的沉積顆粒數，呼吸道模型內的沉積顆粒數等于4大劃分區域的沉積顆粒數的總和，吸入總顆粒數為由鼻腔、口腔進入呼吸道模型內的顆粒數的總和，各劃分區域壁面的顆粒沉降分數(DFp)的計算公式如下公式(2)，呼吸道模型的顆粒沉降分數等于4大劃分區域的顆粒沉降分數的總和；

其中u_p是顆粒速度，單位是m/s；t為時間，單位是s；C_c是Cunningham修正參數，無量綱；F_D是單位質量拉曳力，單位是m/s²；F_S是單位質量Saffman力，單位是m/s²；F_B是單位質量布朗力，單位是m/s²；F_T是單位質量熱泳力力，單位是m/s²。

4.根據權利要求1所述的呼吸系統內煙氣沉降模擬系統，其特征在于：測量真實環境中的顆粒溫度、化學組分、密度、粒徑分布、濃度分布特性，構建用于提供真實環境的顆粒溫度、種類、濃度和數量-粒徑分布的所述外界環境參數庫模塊。

5.根據權利要求3所述的呼吸系統內煙氣沉降模擬系統，其特征在于，所述模型數據與環境參數耦合模塊的構建過程包括：將模型數據輸出模塊得到呼吸道模型內各區域的顆粒沉降分數與外界環境參數庫煙氣顆粒參數耦合，得到呼吸道模型各劃分區域的沉降劑量；顆粒沉降劑量計算公式如下公式(3)：

其中Dose_mass是呼吸道模型內顆粒沉降劑量，單位是μg；(t₁,t₂)是計算的時間區間，單位是s；是計算顆粒粒徑區間；ρ_p是顆粒密度，單位是g/cm³；d_p是顆粒粒徑，單位是nm；是環境中煙氣顆粒數量-粒徑分布，單位是#/cm³·nm，是環境中煙氣顆粒的位置向量，單位是m，t為時間，單位為s；DF_p是呼吸道模型內各區域的顆粒沉降分數，單位是％；Q是呼吸流量，單位是L/min；d(d_p)為d_p的微分。