采用尺度解析模拟（Scale Resolving Simulation）的鼻至气管支气管气道内流动特性研究

《Computers in Biology and Medicine》：Flow characteristics in a nasal to tracheo-bronchial airway using a scale resolving simulation

　　

背景与目的：气流动力学是理解呼吸生理功能的基础，但鼻腔与气管支气管通路内的流态复杂性仍缺乏系统性表征。本研究采用患者特异性呼吸模型（自鼻腔延伸至第7代细支气管），在30 L/min稳态吸气流量下考察气流特征。方法：采用混合应力混合涡模拟（Stress-Blended Eddy Simulation, SBES）模型捕捉非定常流结构，结合动态模态分解（Dynamic Mode Decomposition, DMD）与频谱分析识别主导流动动力学；计算模型源自CT扫描，使用约3000万单元的poly-hexcore网格。本研究对鼻腔至远端细支气管的气流进行了统一的尺度解析表征，利用模态与频谱诊断关联不同区域的流动行为。结果：鼻腔内以层流为主，速度增至6.2–8.4 m/s；喉区形成高速射流，峰值速度达14.9 m/s，该区域呈现增强的非定常性与强振荡，求解湍流动能（Resolved Turbulent Kinetic Energy, kresolved）最高达35 m2/s2；下游流动经过渡逐渐趋于层流主导，速度降至0.8–3.6 m/s且能量较低；经q准则与DMD识别的相干结构揭示了能量重分布区与高频振荡区；左右支气管分支流量分配不对称，分别为44.65%与55.35%。结论：本研究统一表征了上、下气道气流动力学，识别出增强非定常性的关键区域及下游能量耗散规律，对呼吸建模与吸入装置设计具重要意义。

论文解读——《Flow characteristics in a nasal to tracheo-bronchial airway using a scale resolving simulation》发表于《Computers in Biology and Medicine》

一、研究背景与意义

呼吸道气流动力学对空气调节、过滤及气体交换至关重要。既往研究多局限于单一区域（仅鼻腔或仅气管支气管截断模型），少有连续涵盖鼻腔至远端细支气管的整体模型；此外鼻腔至喉部产生的射流诱导转捩与湍流，其沿气道向下游的衰减与再层流化过程尚缺乏统一尺度的解析表征。传统RANS（如k-ω SST）难以捕捉瞬态相干结构与非定常混合，而壁面解析LES/DNS计算成本过高。因此，研究人员采用混合RANS-LES类的应力混合涡模拟（Stress-Blended Eddy Simulation, SBES）并结合动态模态分解（Dynamic Mode Decomposition, DMD）与功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）分析，在患者特异性全气道几何（鼻腔至第7代bronchioles）中统一表征各区域流态与能量传递机制，以明确层流主导、转捩及类湍流区的空间分布，为呼吸生理建模与吸入给药装置设计提供依据。

二、主要关键技术方法

研究人员基于健康亚洲男性胸部CT数据（层厚0.5 mm，支气管区0.7×0.7 mm）重建自鼻腔前鼻孔至第7代细支气管（不含口腔与上颌窦）的患者特异性几何，前端设计算法确定尺寸的计算吸气穹顶（computational dome）以模拟自然吸气。采用Ansys Fluent Meshing容错流程生成约2980万单元poly-hexcore混合网格，近壁8层prism层满足y⁺<1。瞬态模拟采用SBES湍流模型（近壁k-ω SST，主流区LES with Wall-Adapting Local Eddy-Viscosity sub-grid scale model），入口为穹顶均匀速度对应总流量30 L/min（湍流强度5%，湍流粘度比10），出口压力0 Pa，无滑移壁面，时间步长2.0×10^-5s（CFL<1），采样时段0.7 s。沿气道中心线布设21个监测点采集速度与时间序列，对瞬态速度进行FFT求PSD、Python实现DMD（基于SVD低秩投影求本征值与DMD modes，采用I-criterion量化模态重要性），并以q-criterion识别涡结构，通过求解湍动能（Turbulent Kinetic Energy, TKE：k_resolved=?(u'²+v'²+w'²)￣及TKE_ratio=k_resolved/(k_resolved+k_sgs)评估尺度解析度）。

三、研究结果

3.1 Flow distribution in the bronchial airway（支气管区气流分配）

通过对128个出口分区汇总，整体左右肺流量分配为44.65%（左）与55.35%（右）；肺叶分区RUL 21.22%、RML 8.65%、RLL 25.48%、LUL 19.44%、LLL 25.22%，与文献实验及计算数据吻合较好，验证了模型生理合理性，同时证实解剖不对称导致左右分支流量差异。

3.2 Velocity magnitude contours in the upper and lower airways（上、下气道速度云图）

瞬时与按时间平均SBES显示：鼻腔内速度4.8–8.4 m/s，鼻咽汇合后加速进入喉上区（supra glottis）峰值达14.9 m/s，形成喉射流（laryngeal jet）；经声门后于气管减速至约1.4 m/s，入初级支气管减至0.8–3.6 m/s。稳态k-ω SST高估鼻腔速度约2–3 m/s并将喉射流推向后壁，而SBES捕捉到居中射流核与更真实的非定常混合，说明稳态RANS不足以准确反映喉区流动。

3.3 Instantaneous velocity magnitude and turbulence kinetic energy（瞬时速度与求解TKE时序）

鼻前庭速度较稳，经鼻腔收敛至鼻后孔（choana）波动增大；喉区速度脉动最强，k_resolved最大值35 m²/s²（supra glottis），鼻腔内k_resolved≤11.8 m²/s²，细支气管区k_resolved<0.8 m²/s²（右肺下叶背支除外，局部达2.25 m²/s²）。Modeled TKE远低于resolved TKE，表明SBES解析了约72%的TKE。鼻腔与细支气管为层流主导，中央气道（尤其喉区）呈强非定常与高TKE。

3.4 Flow regimes in the respiratory airway（呼吸道流态分区）

基于各截面质量加权平均雷诺数Re（水力直径D_h计算）、平均速度U_avg与TKE评估：鼻腔虽局部Re较高但因几何不规则未单独给Re，鼻前庭处左右侧Re分别约1188与2247；中央气道Re可超5000但仍伴低TKE（鼻咽），真正类湍流特征出现在喉射流区；远端支气管Re由约1350（B3）降至170（B8），TKE极低，属再层流化（re-laminarisation）的扰动层流（disturbed laminar flow）。

3.5 Energy spectral analysis（能谱分析）

FFT-PSD显示：鼻腔测点能量集中于低频（~10–80 Hz），经鼻咽扩展至中频（~80–400 Hz）；喉上区呈现近似-5/3斜率惯性子区（100–1000 Hz），主频~50–500 Hz，含>1 kHz小尺度分量；支气管区能量迅速衰减，>1 kHz几乎消失，表明强耗散与回归层流主导。

3.6 Modal decomposition for flow regime identification（DMD模态分解识别流态）

DMD特征值均位于负实部半平面（衰减模），零频模代表准稳态平均流；低频振荡模（~4–40 Hz）对应鼻咽与喉大尺度射流结构，高频模（>40 Hz）对应小尺度起伏；喉区（supra glottis、glottis、larynx）模态能量最高，鼻腔与细支气管模态贡献低。K-means聚类将测点分为高能（喉区）与低能（其余）两组，与谱分析、TKE结论一致。

3.7 Secondary flow structures（二次流/涡结构）

q-criterion提取涡结构显示：鼻腔双股气流汇合于鼻咽产生大尺度涡（速度>10 m/s），喉上区破碎为小涡并随射流进入气管，至初级支气管涡耗散明显，零星弱涡存在于外周提示残余非定常混合，符合层流主导但有扰动的特征。

四、讨论与结论翻译

讨论指出本研究首次在全连续鼻—支气管模型上联合SBES、DMD与谱分析统一表征流态，喉射流是上游湍流能量源，下游因管径缩小黏性作用增强致再层流化；稳态RANS会误置喉射流位置与幅值。局限含恒定流量未纳入完整呼吸周期及壁运动。

结论翻译：

本研究表征了30 L/min稳态吸气下自鼻腔至第7代细支气管的气流动力学。喉区观测到高达14.9 m/s的峰值速度，远端细支气管降至约0.8–3.6 m/s。鼻腔与细支气管呈层流主导流态，中央气道因喉射流呈现类湍流动力学。下游非定常性随流动减弱而衰减，谱与DMD分析显示残余能量仍存于细支气管。主要发现如下：

• 鼻腔表现为层流主导伴局部几何诱发的转捩行为；喉区因高速射流呈现增强非定常性，下游至细支气管回归层流主导。

• 利用q-criterion识别出显著相干涡结构（尤其鼻咽与喉区），主要代表有组织振荡运动促成局部能量重分布而非经典湍流失稳。

• DMD揭示增强非定常区（特别是声门上区与声门区）存在关联相干结构的优势模态，指示强流振荡与能量耗散区。

• 能谱分析辨识出各气道段 distinct 频率范围——上气道大尺度涡结构、中央气道能量耗散为主、远端细支气管谱能快速衰减，符合回归层流主导。

• 速度剖面显示支气管流量分配显著不对称，主要归因于解剖壁面不规则性。

• SBES模型在计算成本与关键非定常结构解析间取得平衡，证明其对捕捉复杂呼吸道流动动力学的实用性，为后续研究提供可行方法论。

此分析深化了对呼吸道气流转捩与能量耗散关键区域的认识，未来可纳入瞬态呼吸曲线与壁运动以提高生理相关性。