鳥の肺内の流れとガス交換に関するバイオメカニクスとその工学応用

鸟类肺部流动与气体交换的生物力学及其工程应用

• 批准号: 13750161
• 负责人: 田中 学
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Chiba University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750161/
• 关键词: 鳥の肺; 呼吸; 生物流体力学; 振動流; 分岐管; 流量分配

本研究では鳥の肺内における流れとガス交換機序を明らかにしてその工学応用の可能性について検討することを目的とし,空力的バルビングといわれる流体力学的作用による一方向流れの発生メカニズムについて検討を行った.鳥の肺気道をモデル化した直角分岐管流路内に呼吸流れとして振動流を発生させ,分岐/合流時における本管内及び支管内の流量変化をレーザードップラ流速計を用いて測定した.また得られた流量分配の非対称性を,流れの可視化および差圧測定により検討した.さらに,鳥の肺にみられる気道分岐直前の収縮部が分岐部での流量分配特性に及ぼす影響を明らかにするため,分岐部上流にオリフィスを挿入した場合についても実験を行った.その結果,分岐流れの期間に支管入り口にはく離渦が形成されると,本管と支管に圧力差が生じ,支管から本管へ向かう定常循環流が発生することを明らかにした.また,分岐部上流に設置したオリフィスの影響により定常循環流の大きさが増加し,本管内で流れ方向の反転を伴わない一方向流れが得られることを示した.これはオリフィス後流に形成される圧力の低いはく離領域が分岐部を覆うことによって支管内の圧力が低下し,一方向流れ成分の駆動力となる本管と支管の平均圧力の差が増大することによるものと考えられた.これらの結果から,特に逆止弁のような機械的作用をもたらす機構を用いることなく,分岐管と分岐部上流の収縮部を組み合わせた単純な構造のみによって振動流から一方向流れを発生させることが可能であり,従来にない新しいポンプの機構としての可能性を明らかにした.

这项研究旨在阐明鸟类肺中的流量和气体交换机制，并检查其工程应用的潜力，并检查通过流体力学作用（称为空气动力阀）产生单向流动的机制。在鸟类的肺气道上建模的直角分支管流通道产生了呼吸流，并使用激光多普勒流量计测量分支/连接过程中主和分支管道的流速变化。还通过可视化流量和差异测量测量来检查获得的流速分布的不对称性。此外，为了阐明鸟类肺部收缩对分支区域流量分布特征的影响，将孔口插入了分支区域的上游。结果，当分支流期间在分支区域的入口形成的分离涡流时，揭示了主管和分支管之间发生压力差，并且从分支管道到主管产生了稳定的循环流。此外，分支部分上游安装的孔口的影响增加了同时循环流，并且可以在主管中获得无流动方向的单向流动。这被认为是因为孔口后形成的低压分离区域覆盖了分支部分，降低了分支管道内部的压力，以及主管和分支管道之间平均压力的差异，这是单向流量分量的驱动力。这些结果表明，只能通过结合分支管道和分支管道上游的简单结构来从振荡流中产生单向流，而无需使用提供机械作用的机制，例如校验阀，以及一种新的，非常规泵的机制的可能性。

项目成果

酒井 英司, 宮内 潤, 田中 学, 菱田 誠: "直角分岐管内振動流の流量分配特性に関する研究"第38回日本伝熱シンポジウム講演論文集. 1. 217-218 (2001)

Eiji Sakai，Jun Miyauchi，Manabu Tanaka，Makoto Hishida：“直角支管中振荡流的流动分布特性研究”第38届日本传热研讨会论文集1. 217-218（2001）。

田中 学, 酒井英司, 菱田 誠: "直角分岐管内振動流の流量分配特性に関する研究"日本機械学会論文集(B編). 67-672. 2209-2215 (2002)

Manabu Tanaka、Eiji Sakai、Makoto Hishida：“直角支管中振荡流的流量分布特性研究”日本机械工程师学会会刊（编辑 B）2209-2215。 ）

Gaku Tanaka, Eiji Sakai, Makoto Hishida: "Flow Distribution in a Right Angle Branch during Oscillatory Flow"IV World Congress Biomechanics, Proceedings CD. (2002)

Gaku Tanaka、Eiji Sakai、Makoto Hishida：“振荡流期间直角分支中的流动分布”第四届世界生物力学大会，论文集 CD。