高速气流对人体鼻腔温度场影响的数值研究

黄小青，林　江，陈　勇，许　亮

(1.浙江工业大学机械工程学院, 浙江杭州310014； 2.浙江科技学院， 浙江杭州310023)



高速气流对人体鼻腔温度场影响的数值研究

黄小青1，林江2，陈勇1，许亮1

(1.浙江工业大学机械工程学院, 浙江杭州310014； 2.浙江科技学院， 浙江杭州310023)

摘要：针对人体正常鼻腔及病变鼻腔在高速气流下的流场温度进行研究，揭示高速气流下鼻腔温度调节特性。建立反映鼻腔壁面温度特征的分区鼻腔物理模型，根据模型特点提出数学方程并应用有限体积法进行离散推导，使用数值方法对物理模型进行仿真计算，探讨三种主要高速流量工况下正常鼻腔及病变鼻腔流场的温度场特性。仿真结果显示，三种高速气流下经人体正常鼻腔温度调节后气体平均温度为29 ℃～30.5 ℃，经病变鼻腔温度调节后气体平均温度为26 ℃～29 ℃。得到结论：高速气流下正常鼻腔和病变鼻腔的温度调节功能明显下降；通过实施入口条件的温度补偿，可以提高鼻腔温度调节后气体的温度。

关键词：鼻腔；高速流动；温度；数值仿真

鼻腔是外界气体进入人体气管及肺部的主要通道，学者[1-4]对常态呼吸下鼻腔流场的物理变量进行了数值研究。这些研究促进了人们对鼻腔及其流场物理特性的更精确性认识，然而研究局限于鼻腔内的低速流动，其平均流速约为1～4 m/s，甚至更低。这些研究结果难以解释高速气流下鼻腔流场的物理特性。雾化吸入治疗、经鼻高流量氧疗等[5-7]是针对呼吸道疾病的一种新型治疗方式。使用这些治疗手段时鼻腔气体流动特征明显区别于常态呼吸的流动特征，此时鼻腔对内部气体的温度调节特性也将改变。有研究表明气体流量达50 L/min时，鼻腔内的局部速度峰值可达17 m/s，流动速度的增加对鼻腔区域的热流交换[8]、流动死区的回旋流动[9]、鼻腔内壁黏膜的结构[10]等影响显著，改变了鼻腔内气固热流传导，鼻腔区域的热流系统将产生新的平衡。本文对鼻腔流场的高速流动进行了仿真分析，使用了分区温度的鼻腔模型，以体现出不同鼻腔壁面区域的温度特性；通过与常态呼吸下鼻腔气体温度数据的对比分析，揭示了高速流动特有的鼻腔温度调节特性；通过分析影响鼻腔对其气体温度调节的因素，给出高速气流下鼻腔入口温度补偿数据，以补偿鼻腔内气体温度降低数值。

1鼻腔物理模型及数学方程

1.1鼻腔物理模型

本文所采用鼻腔物理模型是根据CT扫描数据进行鼻腔模型的三维重建所获得，考虑到不同鼻腔壁面温度各异以及鼻腔气流速度和气流温度对壁面温度的影响将该鼻腔模型划分为多个不同区域，具体分为鼻前庭(vestibule)、鼻中庭(atrium)、上鼻甲(superior-turbinate)、下鼻甲(inferior -turbinate)、鼻嗅区(olfactory)以及鼻咽区(nasopharynx)，如图1所示。

1—鼻前庭;2—鼻中庭;3—上鼻甲;4—下鼻甲;5—鼻嗅区;6—鼻咽区。

1.2鼻腔模型的数学方程及离散推导

取本文鼻腔模型进行分析，根据质量守恒定律可获得流场的连续方程。考虑到模型的流场特点，对介质气体作不可压缩假设，经过简化可得连续方程(1)。在针对流场的实际分析求解时，常采用流场的平均速度替代其瞬态速度，从而获得均化处理的连续方程。

,

(1)

取流场的动量守恒得到均化后的动量方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

对x向的动量方程进行离散并化简可得：

(6)

对y向的动量方程进行离散化简可得：

(7)

对z向的动量方程进行离散化简可得：

(8)

在以上公式中，其中上标为时间差分间隔期内控制体内质量或动量交换量值，下标为空间上控制体内质量或动量交换量，Ayz，Axz和Axy分别为控制体x向,y向及z向的表面积。

以平均速度表示流场的能量守恒定律得到内能方程及离散方程：

(9)

2鼻腔模型的数值计算

2.1数值计算方法

取人体常态呼吸流量15 L/min下鼻腔流场的物理参数为对照组，分别对流量为50 L/min，70 L/min和90 L/min的高速流动工况进行数值计算。取流场介质为正常空气，取模型的入口条件为速度入口，速度以非稳态的正弦波形式表示[11]，出口条件为压力出口，取出口相对压力值为0。取壁面边界为刚性固壁壁面，壁面温度条件取为热源传热壁面；并根据鼻腔壁面的区域差异，其温度条件取不同数值，同一区域以平均温度代替瞬态温度，温度边界条件如表1所示。

本文利用商用流体计算软件Fluent对鼻腔模型进行了仿真计算。为了减小网格划分数量对流场计算结果的影响，取网格数量20万，50万，120万和160万进行网格测试的稳态计算。结果如图2所示，结果表明网格数量取50万时，流场的物理指标速度和压降变动已很小，可取为计算适用网格数量。

表1　鼻腔模型仿真计算的壁面温度边界条件

2.2计算结果的实验佐证

在人体常态呼吸下，当吸气或呼气状态完成时，鼻腔对内部气体的温度调节完成，此时其流场气体的温度应与对应部位的壁面温度一致。学者Lindeman[12]利用微型热电偶测量了正常鼻腔常态呼吸下的鼻腔黏膜温度数据，取本文鼻腔模型常态下的温度数据与Lindeman的实验数据对比具有实际意义。由于本文所采用鼻腔模型的数值结果在吸气状态和呼气状态下的流场内同一部位的温度数据相差很小，故取用吸气结束状态下的数值结果与实验结果对比分析，对比结果如图3所示。

图2　鼻腔模型网格测试

(a) 鼻腔左侧

图3仿真结果与实验结果对比图

Fig.3Results of simulation contrasting with testing

图3为仿真结果与Lindeman的实验结果对比图，显示出在吸气完成状态下，实验数据与数值结果比较接近，温度区间范围吻合(图中的阴影部分包络了温度变化曲线)；而在呼气完成状态下，实验数据与靠近出口处的数值计算结果较为一致。这一比较结果反映了数值计算结果的准确性。

3结果与讨论

本文通过与常态呼吸流量的流场数据对比，展示了三种高速气流下的鼻腔流场温度曲线变化特征，如图4所示。在常态呼吸流量下，随着气体从鼻腔入口进入，温度曲线斜率大，温度升高迅速，这一区域对应着鼻腔的鼻甲区域，气体在该部分鼻腔区域完成主要的热量交换。在该区域鼻腔壁面与气体温差大，流场温度梯度大，鼻腔壁面释放大量热量参与到流场的热量交换中。高速气流下鼻甲区域的温度曲线斜率减小，流场速度的增加减少了热量交换的时间，图4中的速度曲线对比反映了这一速度差异：呼吸流量为15 L/min时的平均速度约为4 m/s，而50 L/min的平均速度约为6 m/s，流量70 L/min时为8 m/s，90 L/min的平均流速为11 m/s。当气体到达鼻腔嗅区时温度曲线斜率变得平缓，但仍然有一定的增加，这时流场温度与壁面温差减小，温度的变化主要受其扩散的影响。该区域内气体的速度较低，不同流量间的速度差较小。在鼻腔左侧鼻咽区的前段，温度曲线有一突变过程，这是由于一方面在给定仿真边界条件时，鼻咽区的壁面温度有一变化；另一方面对应的该部分速度曲线有一小段增加量，且不同流量间的速度差明显，高速流动的气体在该区域内的回旋流动产生的热量贡献了一部分温度增加量。在该区域呼吸流量为15L/min时温度约为32 ℃，而流量50 L/min时温度约为30.5 ℃,70 L/min时为30 ℃,90 L/min时为29 ℃。在鼻腔右侧鼻嗅区及鼻咽区，温度变动较小，温度曲线和速度曲线都比较平稳。

(a) 鼻腔左侧

图4正常鼻腔温度曲线和速度曲线

Fig.4Curves of temperature and velocity in the common nasal

病变的鼻腔热量调节功能下降[13]，这一现象在高速气流下表现更为显著。气体的高速流动造成鼻腔局部壁面位置的水分蒸发过快，形成了干燥壁面的病变特征，这些病变特征在物理上表现为鼻腔壁面传热参数的改变。本文通过调节鼻腔壁面的比热容和传热系数表征鼻腔病变物理特征，其他仿真参数仍采用前述数据进行数值计算。图5为病变鼻腔的仿真温度结果，与正常鼻腔在呼吸流量为15 L/min的温度数据比较，病变鼻腔在高速流动下温度曲线斜率偏小，反映了其对气体温度的调节功能下降；气体经过鼻甲区的加温调节后，其温度远低于正常鼻腔的温度数据。正常鼻腔在呼吸流量为15 L/min时的平均温度约为32 ℃，而病变鼻腔在呼吸流量为50 L/min时的平均温度为29 ℃,流量为70 L/min和90 L/min时分别为28 ℃和26 ℃。

鼻腔流场热能的变化主要受其几何结构，内壁面温度，流场的速度以及吸入初始温度等影响[14]。由于高速气流降低了鼻腔内部温度，而在该温度气流的持续刺激下，鼻腔壁面可能会因为热量过度释放而导致温度过低，这将会对鼻黏膜造成无法正常生理恢复的损伤。鼻腔的几何结构和内壁面温度难以改变，而改变吸入初始温度是补偿鼻腔气体高速流动时热量损失的有效办法。针对流量为50 L/min，70 L/min和90 L/min时，分别设定入口温度为25 ℃，26 ℃和27 ℃，并进行仿真计算。结果如图6所示，与正常鼻腔在常态呼吸流量下的温度数据对比，经过温度补偿后的高速流动下鼻腔气体温度差值减少，平均差值约为1 ℃左右，体现了温度补偿后鼻腔气体温度已基本接近常态结果。

(a) 鼻腔左侧

图5病变与正常鼻腔温度曲线对比图

Fig.5Curves of uncommon nasal temperature and common one

(a) 鼻腔左侧

图6温度补偿后病变鼻腔和正常鼻腔常态温度曲线对比图

Fig.6Curves of uncommon nasal temperature by compensating and common one

4结语

本文针对气体高速流动下鼻腔流场进行了数值仿真研究，分析了因高速流动和鼻腔病变的相关物理特征变动产生的鼻腔温度调节差异，得出结论：

①气体高速流动对鼻腔的热量调节功能影响显著，随着流量的增加，鼻腔气体温度下降明显，最大降幅约为3 ℃～4 ℃。

②针对壁面干燥特征的病变鼻腔进行数值计算后发现，在气体高速流动情况下，鼻腔流场温度降低量进一步加大，最大降幅约为6 ℃～7 ℃，鼻腔温度调节功能进一步减弱。

③针对鼻腔气体高速流动时的入口温度进行补偿调节，能够提高鼻腔气体温度数值，结果得到鼻腔气体温度数据与常态呼吸下鼻腔温度数据接近的调节效果，部分的补偿了高速气流下鼻腔热量调节的降低值。

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(责任编辑梁碧芬)

Numerical study on intranasal air temperature at high speed flow

HUANG Xiao-qing1, LIN Jiang2, CHEN Yong1, XU Liang1

(1. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China;2. Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract：The research of intranasal air temperature with high flow can reveal temperature characteristics in the normal and diseased human nasal cavity. A physical nasal model, used for reflecting the nasal wall temperature characteristics is established. Flow equations is put forward and discretized on the control volume by finite volume method. Numerical simulation is used to analyze temperature distributions in the model. The field of temperature distributions is discussed in the normal and diseased nasal cavity with three types of high flow. The results show the intranasal air temperature is between 29 ℃ and 30.5 ℃ in the normal nasal cavity, and between 26 ℃ and 29 ℃ in the diseased nasal cavity at high speed flow. The conclusion can be obtained that function of temperature regulation would be reduced evidently in the diseased nasal cavity and the intranasal air temperature can be compensated by enhancing the inlet air temperature.

Key words:nasal; high flow; temperature; numerical simulation

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)02-0562-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0562

通讯作者：林江(1963—)，女，浙江杭州人，浙江科技学院教授，博士；E-mail: linjiang@zust.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51246002)

收稿日期：2015-12-12；

修订日期：2016-01-21

引文格式：黄小青，林江，陈勇，等.高速气流对人体鼻腔温度场影响的数值研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：562-569.