気管模型の中の流れの観察(巧妙なガス交換機構の解明)

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09750187
• Research Institution: Gifu University
• Principal Investigator: 福島 千晴 岐阜大学, 工学部, 助手 (30262752)
• Keywords: 呼吸流 / 気管支 / 分岐管 / 過度 / 二次流れ / 縦渦 / 流れの可視化 / 流れの混合

Research Abstract

ヒトの気管は、20回にも及ぶ分岐を経て肺胞に至る複雑な管路系からなり、巧妙なガス交換を行っている。本研究では、第1分岐部と第2分岐部を有するヒトの気管支模型を透明な樹脂で製作し、模型内の呼気流れおよび吸気流れについて可視化実験(レイノルズ数Re=500〜4000)を行った。模型内の流路は、分岐までの距離が短く、気管特有の曲率と分岐部の断面形状を有し、工業上多用される曲がり管路や分岐管路とは著しく異なる。気管模型内の流れには、呼気流の場合も吸気流の場合も、二次的に流れが誘起され、それぞれ異なった形態の複数本の「縦渦」(管軸方向の軸を持つ渦)を伴う複雑な流れになることが分かった。これらの縦渦の形態が、管路内の「呼気」及び「吸気」の基本的な流れを特徴付けることを明らかにし、これらの縦渦の生成機構を明らかにした。そして、この縦渦の生成が管内流の速度分布、エネルギー散逸、及び流れの混同機構に及ぼす影響について考察した。主要な実験結果は、次のようである。
Daughter-Tube内の縦渦の生成は、管路の曲率にもとづく遠心力の影響に加えて、下記のような気管内特有の生成機構が存在する。1.呼気合流部におけるよどみ点で、流れの方向が急変し、縦渦を生成する過度の主流方向成分が生ずる。さらに、呼気合流部のよどみ点上流に小さなはく離渦が形成される。Re<3000の場合には、このはく離渦から、下流の縦渦(管路の曲率の影響で生成される)に過度が供給される。Re>3000の場合には、このはく離渦から供給される過度は新たな縦渦を形成する。2.吸気分岐部先端近くに首飾り渦に似た2組の渦が形成され、この渦が上流の縦渦の変形と連成を促し、下流の管路荷新たな縦渦群を構成する。
これらの縦渦の生成は、流体要素の伸張と曲折をもたらし、断面内のエネルギー散逸が増大するが、組織的かつ効率的な流体の混合を促す。