不同空調(diào)環(huán)境下鼻腔內(nèi)環(huán)境的數(shù)值模擬

周梓瑩， 麻建超, 劉荔, 陳永強(qiáng), 錢(qián)華*

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096； 2.清華大學(xué)建筑學(xué)院， 北京 100084； 3.無(wú)錫菲蘭愛(ài)爾空氣質(zhì)量技術(shù)有限公司， 無(wú)錫 214002)

鼻腔是人體呼吸系統(tǒng)的門(mén)戶(hù)器官，能通過(guò)狹長(zhǎng)腔隙對(duì)吸入的氣體加溫加濕至滿(mǎn)足下呼吸道溫濕度要求[1]，同時(shí)鼻腔黏膜承擔(dān)著重要的局部免疫作用，維持人體呼吸健康[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)代人有90%的時(shí)間處于室內(nèi)環(huán)境中，在室內(nèi)空調(diào)使用環(huán)境下，人體時(shí)常會(huì)感覺(jué)到空氣“干燥感”等不舒適[3-5]，容易出現(xiàn)鼻塞、流涕、咽干等上呼吸道癥狀。此外，Du等[6]研究表明反復(fù)暴露于空調(diào)溫度突變的條件下，環(huán)境空氣對(duì)呼吸道的刺激會(huì)加劇氣道高反應(yīng)及哮喘的過(guò)敏炎癥反應(yīng)。長(zhǎng)期處于不利的室內(nèi)空調(diào)環(huán)境下的人群可能更容易感到鼻腔不適，嚴(yán)重的則會(huì)導(dǎo)致呼吸道熱濕環(huán)境的破壞，增加上呼吸道對(duì)病毒細(xì)菌的感染風(fēng)險(xiǎn)，引發(fā)呼吸道疾病[7]。因此了解空調(diào)環(huán)境下人體鼻腔對(duì)吸入的環(huán)境空氣的溫濕度調(diào)節(jié)功能，掌握不同空調(diào)環(huán)境下鼻腔內(nèi)氣流的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)很有必要。

目前針對(duì)鼻腔結(jié)構(gòu)與功能，學(xué)者進(jìn)行了大量研究。早期研究人員多應(yīng)用了微型溫度計(jì)、熱電偶等儀器對(duì)鼻腔內(nèi)部環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量[8]。但由于鼻腔幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體內(nèi)測(cè)點(diǎn)不足，侵入式的測(cè)量效率和準(zhǔn)確度較低。隨著生物力學(xué)的發(fā)展，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬可得到鼻腔內(nèi)更完整和精細(xì)的氣流和溫濕度分布情況，彌補(bǔ)了侵入式實(shí)驗(yàn)的不足，并應(yīng)用于輔助臨床診斷分析[9]。Nomura等[10]模擬了鼻中隔患者手術(shù)前后鼻腔內(nèi)的氣流場(chǎng)分布；Yang等[11]則建立了鼻黏膜與氣流熱濕交換模型模擬了鼻腔內(nèi)熱濕交換過(guò)程。上述研究為鼻腔的生物力學(xué)分析提供了數(shù)值模擬參考，但現(xiàn)有研究主要討論鼻腔結(jié)構(gòu)和吸入氣流速度等對(duì)鼻腔內(nèi)環(huán)境的影響，缺乏針對(duì)不同空氣參數(shù)下人體吸入氣流對(duì)鼻腔內(nèi)環(huán)境影響的差異的詳細(xì)研究。且現(xiàn)有研究中大多直接采用大雷諾數(shù)完全湍流下的湍流模型描述鼻腔內(nèi)氣流情況，未對(duì)呼吸氣流從入口時(shí)較小速度至鼻腔內(nèi)部遇到復(fù)雜氣道收縮速度增大過(guò)程中層流至湍流的變化進(jìn)行考慮，因此k-ε湍流模型在上呼吸道流場(chǎng)模擬中并不完全適用[12]。

基于此，現(xiàn)針對(duì)鼻腔近壁面湍流流動(dòng)特點(diǎn)，采用對(duì)SSTk-ω湍流模型進(jìn)行改進(jìn)的更適合模擬上呼吸道流場(chǎng)的Transition-SST湍流模型，利用數(shù)值計(jì)算方法，選取多個(gè)具有代表性室內(nèi)空調(diào)環(huán)境下吸氣參數(shù)作為入口條件，彌補(bǔ)空調(diào)環(huán)境下鼻腔內(nèi)環(huán)境研究的不足，對(duì)人體真實(shí)鼻腔模型進(jìn)行氣流數(shù)值計(jì)算來(lái)獲得人體鼻腔內(nèi)詳細(xì)的流場(chǎng)分布、溫濕度分布，研究不同空調(diào)環(huán)境對(duì)人體鼻腔內(nèi)環(huán)境的影響及不同空調(diào)環(huán)境下人體鼻腔加溫加濕功能差異。

1 方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)一健康成年男性的呼吸道CT掃描切片進(jìn)行三維重建，獲得呼吸道的真實(shí)幾何模型。由于上呼吸道直接于外界相通且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受外界條件影響，因此選取鼻腔—咽喉段為研究對(duì)象。截取鼻腔—咽喉區(qū)域幾何模型如圖1所示，利用ICEM19.0軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于鼻腔表面形狀復(fù)雜，采用了適應(yīng)性更強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。同時(shí)，為了保證鼻腔壁面邊界層計(jì)算的準(zhǔn)確性，在呼吸道近壁面處設(shè)置了3層棱柱網(wǎng)格，使之能更好地滿(mǎn)足鼻腔內(nèi)表面邊界層求解的要求，使得計(jì)算結(jié)果更為貼近真實(shí)情況。如圖2所示，在鼻孔入口和咽部出口之間由觀測(cè)面1開(kāi)始自右向左等距建立共9個(gè)觀測(cè)面，沿鼻腔橫向?qū)ΨQ(chēng)面建立觀測(cè)面10，用以觀察鼻腔內(nèi)氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的變化。

圖1 真實(shí)人體鼻腔3維重建模型及其網(wǎng)格劃分Fig.1 Three-dimensional reconstruction model of a realistic human nasal cavity

圖2 鼻腔內(nèi)觀測(cè)面的設(shè)置Fig.2 Selection of observation plane in nasal cavity

為了確定劃分的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在模擬前首先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。分別設(shè)置3種不同的全局網(wǎng)格尺寸為0.7、1、1.5 mm，3種全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置下對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格總數(shù)依次為22萬(wàn)(粗網(wǎng)格)、71萬(wàn)(中網(wǎng)格)和137萬(wàn)(細(xì)網(wǎng)格)。如圖3所示，對(duì)比分析3種網(wǎng)格數(shù)下各截面平均氣流速度發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)格數(shù)由22萬(wàn)變到71萬(wàn)時(shí)計(jì)算值之間的最大變化率為14%，而當(dāng)網(wǎng)格數(shù)由71萬(wàn)變到139萬(wàn)時(shí)計(jì)算值之間的變化率小于2%。為提高計(jì)算效率，本文選用中網(wǎng)格(71萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.3 Grid independence test

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用ANSYS/Fluent R19.0軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)氣流的質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和組分輸運(yùn)方程進(jìn)行求解。通過(guò)鼻腔氣道的氣體控制方程為

?u=0

(1)

ρ(u?u)=-?p+μ?2u

(2)

ρcp(u?T)=K?2T

(3)

u?C=D?2C

(4)

式中：u、p、T和C分別為速度、壓力、溫度和水蒸氣濃度；ρ為空氣密度；μ為黏度系數(shù)；cp為比熱；K為導(dǎo)熱率；D為水蒸氣質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)。計(jì)算選擇穩(wěn)態(tài)假設(shè)，控制方程省略了所有時(shí)間導(dǎo)數(shù)的項(xiàng)。

鼻腔進(jìn)口速度較小，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，截面變化較大，存在層流至湍流間的捩變區(qū)，為了更準(zhǔn)確地模擬鼻腔內(nèi)的氣流場(chǎng)，采用在SSTk-ω湍流模型基礎(chǔ)上改進(jìn)的Transition SST湍流模型[13]，該模型通過(guò)加入有效間歇因子和當(dāng)?shù)剡吔鐚觿?dòng)量厚度雷諾數(shù)，將兩方程的SSTk-ω模型變?yōu)樗姆匠棠Ｐ?，該模型較常規(guī)的RANS模型更適用于模擬層流至湍流的轉(zhuǎn)變區(qū)域，其控制方程為

(5)

(6)

(7)

(8)

選用SIMPLE算法計(jì)算速度-壓力耦合和二階迎風(fēng)離散格式控制方程；當(dāng)能量方程殘差小于10-7，連續(xù)性方程、組分輸運(yùn)方程、k和ω等變量殘差均小于10-4時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。

1.3 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

設(shè)定鼻孔處為氣體入口，入口條件設(shè)置為速度入口。假設(shè)人體處于平靜、穩(wěn)定吸氣狀態(tài)，人體平均每分鐘呼吸次數(shù)為20次，平均每次吸氣時(shí)間為1.5 s，每次呼吸潮氣量為500 mL[15]，根據(jù)測(cè)量模型鼻孔橫截面積約為2.2 cm2，計(jì)算得到兩側(cè)鼻孔處進(jìn)口氣流平均速度為1.5 m/s。咽部為氣流出口，設(shè)置為壓力出口。

鼻腔黏膜的溫度及鼻黏液層的含水量在實(shí)際呼吸過(guò)程中會(huì)隨著鼻腔內(nèi)的氣流產(chǎn)生周期性微小變化，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)鼻腔黏膜表面為恒定為35 ℃，相對(duì)濕度100%的飽和水蒸氣膜[16]，根據(jù)相對(duì)濕度—含濕量換算，在壁面邊界條件中設(shè)置鼻黏膜表面的含濕量(水蒸氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù))，壁面條件設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件。

根據(jù)人員室內(nèi)空調(diào)使用行為情況研究[17]，從干冷-濕熱環(huán)境選擇3種較有代表性的空調(diào)使用溫、濕度環(huán)境為18 ℃/30%RH、24 ℃/50%RH和28 ℃/70%RH，作為吸入空氣參數(shù)的初始條件，為了單獨(dú)比較吸入空氣的溫度變量及濕度變量的影響，共組合得到9種模擬工況，其空氣狀態(tài)參數(shù)如表1所示。

黏度系數(shù)μ取1.9×10-5Pa·s，比熱cp取1.006 J/(kg·K)，導(dǎo)熱率K取0.024 2 W/(m·K)，水蒸氣質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)D為2.6×10-5m2/s。

為驗(yàn)證模型的可靠性，根據(jù)文獻(xiàn)[18]的3D打印模型實(shí)驗(yàn)條件模擬了鼻腔內(nèi)的氣流場(chǎng)，結(jié)果表明本模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果較為吻合，說(shuō)明本文研究采用的計(jì)算模型是合適的。

表1 吸入氣體狀態(tài)參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 鼻腔內(nèi)氣流速度場(chǎng)分布

由于鼻腔內(nèi)表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣流通道截面積變化較大，且存在許多不規(guī)則褶皺，因此，鼻腔內(nèi)氣流速度變化較大，速度場(chǎng)分布較為復(fù)雜。圖4為觀測(cè)面10速度分布云圖，可看出吸入氣流速度從鼻孔入口至咽部出口的分布情況。當(dāng)進(jìn)口速度為1.5 m/s時(shí)，鼻腔內(nèi)氣流最大速度約為3.2 m/s，出現(xiàn)在入口1/3處(觀測(cè)面2)，此處鼻中隔變厚、外壁收縮，氣流通道變窄，流速變大。

鼻腔內(nèi)氣流速度呈上部(圖4的A和B區(qū)域)低、下部(圖4的C和D區(qū)域)高的分布，速度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，氣流大部分從圖3的C和D區(qū)域通過(guò)。吸入氣體的流線圖如圖5所示，部分氣流會(huì)在鼻腔入口頂部回轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋渦。表2為各觀測(cè)面的氣流速度情況，對(duì)于同一觀測(cè)面，速度的徑向分布也有不同。

圖4 鼻腔內(nèi)部氣流場(chǎng)分布情況Fig.4 Distribution of airflow field in nasal cavity

圖5 鼻腔內(nèi)部氣流流線圖Fig.5 Distribution of airflow field in nasal cavity

2.2 鼻腔內(nèi)溫度場(chǎng)分布

通過(guò)對(duì)不同的溫濕度入口初始條件下的數(shù)值模擬，得到鼻腔內(nèi)氣流的溫度分布。選取18 ℃/30%RH、24 ℃/50%RH和28 ℃/70%RH三種工況下的溫度分布云圖如圖6所示。在觀測(cè)面5之前，3種不同工況的溫度云圖差異較大，而從觀測(cè)面5后，溫度云圖趨于一致。3種工況下前1/2段的氣流溫升分別為14.24、9.25、5.90 ℃，前1/2段的溫升均占從鼻孔入口到咽部出口總溫升的90%以上，在鼻腔后1/2段溫度相近，在咽部出口處，溫度分別提升至33.61、34.13、34.46 ℃，均已接近黏膜表面溫度。在徑向分布上，對(duì)于鼻腔的中間通道溫度較低，而鼻腔外側(cè)的狹窄空腔溫度較高。同時(shí)，通過(guò)同一溫度下不同濕度的工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同一環(huán)境溫度下，30%～70%區(qū)間內(nèi)相對(duì)濕度的差異對(duì)鼻腔內(nèi)的溫度分布的影響無(wú)顯著差異。

表2 各觀測(cè)面氣流速度值

圖6 不同入口工況下鼻腔內(nèi)溫度分布Fig.6 Temperature distribution in the nasal cavity under different inlet conditions

2.3 鼻腔內(nèi)濕度場(chǎng)分布

圖7 不同入口工況下鼻腔內(nèi)濕度分布Fig.7 Mass fraction of water distribution in the nasal cavity under different inlet conditions

圖7為不同工況吸入氣流下鼻腔內(nèi)濕度(水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù))的分布云圖。在縱向分布上，濕度與溫度云圖有一致性，從鼻腔入口至咽部出口氣流含濕量逐漸增大，其中在鼻腔入口前1/2段濕度云圖區(qū)別顯著，濕度提升明顯。不同濕度入口條件在徑向分布上，在上部褶皺處及中部狹窄處濕度較高，在中部氣流主要通道濕度較低。

表3為各觀測(cè)面相對(duì)濕度值，由表3可以看到在觀測(cè)面5之前吸入氣流的相對(duì)濕度的升高迅速，在觀測(cè)面5之后3種不同吸入氣體工況下的氣流相對(duì)濕度均已提升至90%以上，并且在觀測(cè)面4之后18 ℃/30%RH的吸入條件下的氣流相對(duì)濕度略大于24 ℃/50%RH條件下的相對(duì)濕度。由于相對(duì)濕度與溫度相關(guān)，通過(guò)控制吸入氣流含濕量不變，改變氣流溫度，結(jié)果顯示鼻腔內(nèi)含濕量分布無(wú)顯著差異，18～28 ℃范圍內(nèi)的溫度變化對(duì)鼻腔內(nèi)的水蒸氣傳質(zhì)影響不大。

表3 各觀測(cè)面相對(duì)濕度值

3 討論

3.1 鼻腔對(duì)氣流速度的調(diào)節(jié)

由模擬結(jié)果可見(jiàn)，鼻腔內(nèi)氣流速度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，氣流大部分從中下部通過(guò)，此結(jié)果與文獻(xiàn)[19]通過(guò)人體實(shí)驗(yàn)及仿真對(duì)比所獲得的成果一致，表明本文模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^為真實(shí)反映人體鼻腔呼吸情況。根據(jù)模擬結(jié)果，圖5氣體流線清晰反映了鼻腔速度場(chǎng)速度上低下高，氣流分層主要從中下部通過(guò)的特點(diǎn)。由氣流軌跡可知，氣流在經(jīng)過(guò)鼻孔進(jìn)口頂部區(qū)域時(shí)部分沿氣道行進(jìn)，還有部分氣流會(huì)在此區(qū)域回轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋渦，因此在此區(qū)域速度相應(yīng)下降，同時(shí)此區(qū)域氣流停留時(shí)間更長(zhǎng)會(huì)使得氣流能與鼻腔黏膜進(jìn)行充分的熱濕交換。氣流流經(jīng)鼻腔后2/3處時(shí)，截面積增大，氣流速度較小，而在鼻咽出口處，由于鼻腔截面再次縮小且呼吸道方向改變，氣流速度變大，且彎道內(nèi)側(cè)速度較大。對(duì)于同一觀測(cè)面，速度的徑向分布也有不同。對(duì)于各觀測(cè)面的氣流速度情況，觀測(cè)面4～6的氣流的平均速度較小，且最小速度接近為0，可知此段氣流通道面積較大，且皺褶較多；而觀測(cè)面1～2由于進(jìn)口氣流遇到變厚的鼻中隔的阻隔且發(fā)生分流，最大速度較大。

3.2 鼻腔內(nèi)濕度場(chǎng)分布

對(duì)于不同工況下的鼻腔對(duì)氣流溫度的調(diào)節(jié)過(guò)程，通過(guò)對(duì)比各工況下模擬結(jié)果可知，在觀測(cè)面5之前，不同工況的溫度云圖差異較大，而從觀測(cè)面5后，溫度云圖趨于一致。18 ℃/30%RH、24 ℃/50%RH和28 ℃/70%RH的空調(diào)環(huán)境下前1/2段氣流的溫升均占從鼻孔入口到咽部出口總溫升的90%以上，說(shuō)明從鼻腔入口到1/2長(zhǎng)度段，為氣流與鼻腔黏膜進(jìn)行熱交換的主要部位，這是因?yàn)樵诖藚^(qū)域內(nèi)，進(jìn)口氣流與鼻腔黏膜間的溫度梯度較大，氣流與鼻腔黏膜間能較迅速進(jìn)行熱量傳遞。在鼻腔后1/2段，空氣已經(jīng)得到較明顯增溫，溫度分布趨于一致，溫升速度降低。在咽部出口處，溫度均提升至接近黏膜表面溫度。說(shuō)明對(duì)不同溫度的進(jìn)口空氣，鼻腔都有較為強(qiáng)大的加溫調(diào)節(jié)效果。通過(guò)不同切面形狀及不同部位的氣流速度對(duì)比可看出，對(duì)于鼻腔中間通道，當(dāng)鼻腔通道面積變小時(shí)，由于氣流通道窄，氣流速度大，溫度較低，與鼻腔黏膜的溫度差較大；當(dāng)鼻腔通道面積變大時(shí)，氣流速度較低，溫度較高；而對(duì)于狹窄的外側(cè)空腔，雖然流通面積較小，但由于非氣流主要流通區(qū)域，氣流速度低，與黏膜進(jìn)行熱交換時(shí)間較長(zhǎng)，此處溫度高于氣流中心溫度，與鼻腔黏膜的溫度差較小。通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬結(jié)果可知，較為干冷的吸入氣流會(huì)導(dǎo)致鼻腔中前部區(qū)域溫度較低。對(duì)于普通感冒最常見(jiàn)的原因、也是哮喘惡化的最重要原因之一的人類(lèi)鼻病毒而言[20]，根據(jù)Foxman等[21]的研究表明大多數(shù)鼻病毒在較低的鼻腔溫度33 ℃時(shí)復(fù)制能力比37 ℃時(shí)更好，同時(shí)較低的鼻腔溫度條件下，細(xì)胞的分泌干擾素(IFN)的能力降低，抗病毒免疫應(yīng)答被減弱。對(duì)比3種不同溫度空調(diào)工況下鼻腔內(nèi)溫度分布結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，鼻腔低溫區(qū)(<33 ℃)在鼻腔內(nèi)體積占比分別為63%(18 ℃/30%RH)、45%(24 ℃/50%RH)和37%(28 ℃/70%RH)，說(shuō)明對(duì)于不同溫度的氣流，鼻腔各區(qū)域的溫度不同，低溫區(qū)域越多可能給鼻病毒提供了更大的適宜空間，使得發(fā)生普通感冒及哮喘的風(fēng)險(xiǎn)上升；說(shuō)明較低溫的空調(diào)環(huán)境是發(fā)生上呼吸道感染的有利條件。

3.3 鼻腔內(nèi)濕度場(chǎng)分布

對(duì)于不同工況下鼻腔對(duì)氣流濕度的調(diào)節(jié)過(guò)程，通過(guò)對(duì)比各吸入工況下鼻腔觀測(cè)面相對(duì)濕度情況，可看出水分的蒸發(fā)主要發(fā)生在觀測(cè)面1～觀測(cè)面5段，相對(duì)濕度隨沿程變化較大。由于相對(duì)濕度與溫度有關(guān)，相同含濕量下溫度越高相對(duì)濕度越低，在觀測(cè)面4之后18 ℃/30%RH條件下的相對(duì)濕度略大于24 ℃/50%RH條件下的相對(duì)濕度，但后半段總體區(qū)別不大。在鼻腔的一定調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，當(dāng)外界進(jìn)口空氣濕度越低，上呼吸道提供的水蒸氣量越多。按照設(shè)定潮氣量計(jì)算可得，在處于平靜呼吸狀態(tài)的假設(shè)下，每天需呼吸14.4 m3空氣，在3種不同室內(nèi)空調(diào)濕度工況下，鼻黏膜蒸發(fā)的水蒸氣分別為463、385、267 g，18 ℃/30%RH條件下呼吸蒸發(fā)水量是28 ℃/70%RH下的1.73倍，需要鼻黏膜增加約200 g的水蒸氣蒸發(fā)量對(duì)進(jìn)口空氣進(jìn)行加濕。當(dāng)人們處在低溫低濕環(huán)境進(jìn)行更大強(qiáng)度活動(dòng)使得呼吸量加大情況下，鼻腔蒸發(fā)水量的數(shù)值將會(huì)更大。對(duì)于模擬的9種不同溫濕度的吸入氣流，在咽部出口都能達(dá)到接近黏膜的溫濕度狀態(tài)進(jìn)入下呼吸道的條件，不會(huì)造成下呼吸道由于外界溫濕度的變化受冷降溫或干燥損失。但對(duì)于上呼吸道而言，較為干冷的空氣需要黏膜更大的加熱和蒸發(fā)量，鼻黏膜的蒸發(fā)量增大可能會(huì)損傷黏膜功能，導(dǎo)致干燥感等不適出現(xiàn)的同時(shí)黏膜功能的穩(wěn)定可能遭到破壞。提示在冬季，除了提高室內(nèi)溫度，對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行合理加濕，以及及時(shí)補(bǔ)充水分避免鼻咽干燥是必要的。在夏季空調(diào)使用時(shí)，不宜使用過(guò)低溫度，體感舒適與有利于鼻腔黏膜保持穩(wěn)定健康狀態(tài)的空氣工況條件存在一定差異。

4 結(jié)論

通過(guò)選取多個(gè)具有代表性室內(nèi)空調(diào)環(huán)境下吸氣參數(shù)作為入口條件對(duì)真實(shí)人體CT掃描重建的鼻腔模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同空調(diào)環(huán)境下人體鼻腔流場(chǎng)分布、溫濕度分布及加溫加濕功能差異，為進(jìn)一步對(duì)鼻腔進(jìn)行相關(guān)生物力學(xué)與病理研究以及科學(xué)使用空調(diào)提供了參考。

(1)根據(jù)鼻腔吸氣條件，利用了更適宜描述層流到湍流過(guò)渡現(xiàn)象的Transition SST湍流模型來(lái)準(zhǔn)確捕捉吸入氣流在鼻腔內(nèi)收縮氣道的流態(tài)轉(zhuǎn)變，發(fā)現(xiàn)鼻腔內(nèi)氣流具有速度分層上低下高、前鼻甲處存在氣流回旋的特點(diǎn)，得出了鼻腔內(nèi)更精細(xì)的氣流場(chǎng)的整體分布，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的缺陷。

(2)入口氣流溫濕度對(duì)鼻腔內(nèi)溫濕度分布有較大影響，18 ℃環(huán)境溫度下鼻腔內(nèi)有63%的區(qū)域溫度低于33 ℃；18 ℃/30%RH呼吸蒸發(fā)水量是28 ℃/70%RH下的1.73倍。

(3)在舒適性空調(diào)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的不同空調(diào)工況對(duì)人體鼻腔內(nèi)環(huán)境影響的差異仍較大，模擬計(jì)算結(jié)果提示較為溫暖的室內(nèi)溫度與合理加濕更有利于上呼吸道健康。

(4)本研究在數(shù)值模擬過(guò)程中采用的是鼻腔黏膜側(cè)恒定的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，在實(shí)際呼吸狀態(tài)下，黏膜膜側(cè)邊界條件會(huì)隨呼吸周期有一定變化，后續(xù)研究將考慮構(gòu)造雙側(cè)耦合模型，對(duì)鼻腔內(nèi)氣流場(chǎng)及鼻腔黏膜變化進(jìn)行更深入的數(shù)值模擬研究。