基于分形理论的肺器官非线性气体渗流特性的细观研究

项目名称： 基于分形理论的肺器官非线性气体渗流特性的细观研究

项目编号： No.11202201

项目类型： 青年科学基金项目

立项/批准年度： 2013

项目学科： 数理科学和化学

项目作者： 徐鹏

作者单位： 中国计量学院

项目金额： 25万元

中文摘要： 人体肺器官中的气体对流和扩散过程直接关系到呼吸系统的通气功能和气体交换效率，因此研究其非线性气体输运过程对于揭示生理和病理条件下肺器官的工作机理具有重要的科学意义。本项目拟根据肺器官的多孔介质特性和分形标度行为，采用渗流力学的方法，通过理论分析、数值模拟和实验测量，系统研究肺器官中的细观气体动力学行为。具体研究内容：(1)根据分形几何理论和重整化群方法，研究肺器官的统计分形标度律；(2)建立肺器官气体输运过程的双重介质模型，确定肺器官的细观结构和宏观功能之间的定量关系；(3)采用基于分形理论的蒙特卡洛方法多尺度模拟气体传输过程，研究局域流动和力学性能；(4)根据肺器官的渗流特性以及腔体边界的限制，对其几何和拓扑结构进行优化，揭示其构造原理。通过本项目的研究，提出一套较完整的研究肺器官非线性气体输运的理论、方法和模型，进一步发展生物渗流理论，为相关疾病的临床治疗提供理论依据。

中文关键词： 多孔介质；分形；双重介质模型；分叉网络；肺

英文摘要： The air convection and gas diffusion in lung organ can directly affect the ventilation function and gas exchange efficiency of human respiratory system, it's therefore of great significance to investigate the nonlinear gas transport properties in order to explore the mechanisms of normal physiological and pathological lung organ. The objective of this project is to systematically study the mesomechanical gas dynamic behaviour in lung organ by theoretical analysis and numerical simulation as well as experimental measurement based on the seepage flow theory according to its porous and fractal characteristics. The current proposal includes the following research topics: (1) the statistical fractal scaling laws of human lung will be analyzed according to fractal geometry and renormalization group method; (2) the quantitative relationship between the mesomechanical construction and macroscopical function will be determined based on the global double-porosity model of human lung; (3) the local flow and mechanical performances will be studied by the multi-scale Monte Carlo method based on fractal theory; (4) the geometrical structure and morphometry will be optimized according to the seepage flow properties and spatial restriction of thoracic cavity in order to understand the constructional principle of human lung. It

英文关键词： Porous Media；Fractal；Double-Porosity Model；Branching Network；Lung