研究呼吸过程肺部颗粒物的沉积及气体传输特性对于评估人体健康至关重要。例如,发生火灾时,人处于高浓度烟气环境中,有毒有害烟气随呼吸进入人体呼吸道,当有害物质到达人体呼吸功能的肺腺泡区,可穿过气血屏障进入血液,严重危害人体健康。有毒有害烟气进入肺部的深度和浓度,直接影响人在火灾中的存活时间。另一方面,吸入疗法是利用药物颗粒在肺内病变区域沉积的一种新型治疗呼吸系统疾病的方法,由于它的高生物利用度和高效率的优点,近年来被认为是一种很有前途的治疗方式。本文基于多级分叉特征的健康成年人肺部模型,通过对模型的合理简化及边界条件的改进,改善了数值模拟的效率,研究在不同的呼吸状态,如平静呼吸、高频呼吸、深呼吸以及屏气呼吸状况下肺内颗粒沉积及气体传输特性。本文数值模拟采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics4.3a。首先,利用本课题前人建立的二维八级肺腺泡模型,研究了屏气状况下重力方向对肺腺泡内颗粒沉积特性的影响,竖直重力方向和水平重力方向分别代表人处于竖直站立和平躺两个状态。研究表明:不同的重力方向对肺腺泡内的整体沉积率基本没有影响,但对分级沉积率有影响,相对于人站立时的竖直重力方向,人在平躺状况下能增加特定区域的分级沉积率。其次,基于Weibel-A肺部模型,通过对称简化原则建立二维4-23级健康成年人全肺模型,研究了全肺内不同呼吸方式对气体传输的影响。研究表明:气体在肺部扩散非常快,在第一个吸气周期就能到达具有呼吸功能的肺腺泡区域;在循环呼吸状况下,通过高频呼吸、平静呼吸、深呼吸的对比发现,高频呼吸和平静呼吸传输速度相当,深呼吸扩散更快;通过循环呼吸和屏气呼吸的对比发现,屏气能减缓肺部气体传输,这一现象在平静呼吸时最明显;通过对比不同方式的屏气呼吸发现,平静屏气呼吸气体传输最慢,高频屏气呼吸次之,深屏气呼吸传输最快。最后,通过全肺模型引出了模拟多级分叉网络中粒子沉积计算量巨大的难点,基于此提出粒子加倍算法,改进对多级分叉网络中粒子传输和沉积特性的模拟。并且对所提出的粒子加倍算法进行了详细分析,首先对加倍前的原始粒子和加倍后产生的次级粒子的速度大小和运动轨迹进行分析,然后对粒子加倍算法计算分叉网络中颗粒沉积率进行研究,证明粒子加倍方法的可行性和有效性。本文所提出的粒子加倍算法,不仅可以简化全肺内颗粒沉积的数值模拟,而且可以运用到河流或者空调管路等多级分叉网络中的研究中。