肾脏冷灌注过程中的生物传热实验研究

在保护液亚临界相变温度范围进行肾脏器官的低温延时保存,是一个不同于传统低温保存的新方法。为保持细胞活性必须从器官摘取的第一步展开研究,用保护液对离体肾脏进行冷灌注是移植器官保存的重要环节,研究冷灌注过程中器官温度随时间变化的传热特征,探求提供与传统生物保存方法所不同的传热传质条件非常重要。用高倍率红外热象仪、热电偶探针、超声血流计等,对猪整体肾脏冷灌注过程进行了实时测试,得出动脉血管作为冷源时的肾脏温度动态变化曲线。实验结果表明,在1℃冷却液匀速灌注过程中肾脏温度的降低表现为非均匀变化,究其原因是由于肾脏内特定的组织结构引起。实验研究将对肾脏器官的三维温度场数值计算提供宝贵的实验依据。     

生物传热基本方程的研究

本文分析了已有的生物传热基本方程,采用多孔体模型导出了相应的基本方程,在此基础上,分析了生物组织的有效参数与骨架组织和血流参数之间的关系,这为测量在体组织热物性提供了有希望的前景。本文利用所提出的生物传热模型,按Pennes原文采用的数据资料对人臂径向温度分布进行了试算。结果表明,该模型相当适合Pennes原实验测试记录。     

高温热管声速极限的实验研究与理论分析

高温热管是公认的被动式高温传热器件,以及明显高于相同几何尺寸金属材料的当量导热率,使其成为研究热点,并具有广泛的应用前景。在高温热管的蒸汽流动中,当喉部流速达到声速后,会出现声速传热极限,主要表现为冷凝段温度持续降低,传热量停滞不增,以及蒸汽的阻塞状态。本文设计、制备了高温热管传热器件,以高频感应方式为热源,盘管式水冷套为冷源,搭建了可以定量测试高温热管声速极限的实验台,并应用理论模型进行了验证。实验测试了高温热管在高热流加热条件下的冷态启动过程,以及稳态传热状态下的温度、热流等基本物理量,并对此进行了理论分析。实验结果表明:长径比、加热热流、工作温度是影响高温热管声速极限的主要因素。     

激光诱导间质肿瘤热疗的数值模拟和实验研究

本文在考虑生物组织物性动态变化的情况下建立了激光诱导间质肿瘤热疗(LITT)的物理数学模型,采用MonteCarlo方法数值模拟了LITT中激光能量在生物组织内的传输过程,基于Pennes生物传热方程和Arrhenius方程数值求解了组织内的温度分布和热损伤体积的变化,分析了热物性及血液灌注率的动态变化对LITT过程的影响,并与相应的离体实验结果进行了对比。数值模拟结果表明,组织的热物性及血液灌注率的动态变化对于热损伤体积的变化具有重要的影响。因此在激光诱导间质肿瘤热疗的数值模拟中应该考虑热物性及血液灌注率的动态变化以期为临床治疗方案的制定提供更为准确的依据。     

大长径比高温热管传热性能实验研究

在核能主动热利用领域,需要高温热管具有较大的长度并保证均温性,然而现有对高温热管的研究集中在热管性能的理论预测和较短的高温热管预研方面。本文首先制备了67倍长径比高温热管,理论分析了其冷态启动特性,并对其冷态启动和稳态传热性能进行了实验研究,提出了可以发挥其优良传热性能的加热方式;进一步制备了200倍长径比高温热管,定性验证了其良好的传热性能,定量实验研究了其冷态启动过程,并发现了超长高温热管喉部区域的热量传递规律。     

高温熔盐横纹管传热特性与强化机理研究

本文对以熔融盐为传热工质的横纹管传热过程进行了实验研究。研究温度、热流密度对横纹管传热性能的影响,并与光管的传热性能进行比较,探讨了强化传热的机理,确定了强化传热的范围和途径。实验结果表明:横纹管比光管具有更好的传热性能。     

激光诱导间质热疗中生物组织的温度场研究

激光诱导间质热疗疗效评估的前提是必须获得准确的激光在不同功率、不同照射时间的生物组织温度场分布.利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics构建了在组织光学参量不变情况下的三维有限元传热模型.该模型基于Pennes生物传热方程和轴对称高斯形状的激光光束热源方程,参量针对离体猪肝组织,考虑到了生物组...     

基于有限元的舌体三维温度场数值模拟

依据生物体自然形态所进行的三维温度场建构与计算是近年来国内外生物传热研究中的焦点之一.采用血管铸型的方法获取猪舌的血管树,通过数码成像及逆向建模将其转换为计算机可识别的数字模型.以Pennes方程为基准方程,对自然形态和实际传热状态下的舌体三维温度场进行了重构计算,并获得成功.通过此方法可获取其它生物体器官三维空间的温度分布,对本研究而言,舌体三维温度场计算的成功为探索生物传热与中医舌诊的机理研究搭建了技术平台.     

人舌三维温度场的实验研究与数值模拟

直接采用人舌血管铸型进行三维温度场的实验研究与数值计算.体现出依据生物体的真实形状和真实受热状态而进行的生物传热研究.仍以Pennes方程为基准方程,对自然形态和实际传热状态下的人舌舌体三维温度场进行了重构,计算结果与红外热像测试结果趋于一致.意义在于,以此为技术平台,可通过变换多种生物参数的方法获取不同的舌体三维温度分布与测取中医不同证候的舌热像进行比较,获取特定证候具有的相应生物参数值,由此研究生物传热与传统医学的相关性.     

用阶跃温升法测量生物组织的热物理参数

生物体的热物性是研究生物组织热物理问题的基本参数。本文设计制作了以热敏电阻为探头的生物探针,基于阶跃温升法研制了相应的测量电路和计算机采集和控制系统,测量了生物组织的导热率,分析了组织试样尺寸对测量的影响。离体实验表明,阶跃温升法能够可靠地测量生物组织的热物性。     

基于回波平移序列的快速三维磁共振温度成像方法

高强度聚焦超声（HIFU）是一种无创的热消融疗法，为保证其安全性和有效性，需要一种精度高、速度快的测温方法在其治疗过程中对温度进行监控.基于质子共振频率位移（PRFS）的磁共振温度成像（MRT）对温度具有较高的灵敏度，且与温度具有良好的线性关系，因此常被用于引导HIFU治疗.然而在实际应用中，HIFU治疗的最大隐患在于可能造成表皮灼伤，并且灼伤区域可能与焦点区域相隔较远.因此MRT的监控范围十分重要.本文基于三维回波平移成像序列，结合可控混叠的空间并行成像技术，实现了时间分辨率为3 s的快速三维温度成像.为了验证该方法的精度，本文首先设计了仿体降温实验，利用光纤温度计验证回波平移序列测温的准确度和精确度.然后在室温条件下扫描离体猪肉组织，对比加速前后的MRT的测温精确度.在HIFU加热条件下扫描离体猪肉组织，对比加速前后的MRT的测温准确度.结果显示，本文提出的方法可以在3 s内完成三维温度精准测量，对于HIFU治疗的安全监控具有重要意义.     

生物组织电穿孔中的热效应研究

本文对生物组织电穿孔中的热效应问题进行了计算研究。结果表明生物组织电穿孔过程中,选用不当的脉冲电压参数,会对组织造成严重的热损伤。若采用相同的烧伤阈值来描述热损伤范围,则相同电脉冲参数条件下在体组织比离体组织受到的热损伤更大。     

激光诱导间质热疗中生物组织的温度场研究

激光诱导间质热疗疗效评估的前提是必须获得准确的激光在不同功率、不同照射时间的生物组织温度场分布.利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics构建了在组织光学参量不变情况下的三维有限元传热模型.该模型基于Pennes生物传热方程和轴对称高斯形状的激光光束热源方程,参量针对离体猪肝组织,考虑到了生物组织热物性密度、比热和热导率随温度变化的情况.仿真获得激光功率为0.77 W、0.95 W、1.23 W,照射时间为10~90 s,径向距离0~2 mm范围和轴向距离0~4 mm范围的温度场数据集.利用拟合算法,获得了自变量为激光功率、照射时间、径向距离和轴向距离的生物组织温度场分布模型.将功率为0.88 W和1.05 W时的结果与Pennes方程结果相比较,两者误差在5%以内.     

舌横纵剖面温度场的实验研究与计算

用红外热成象技术与动物实验等多种方法对舌体的生物传热特性进行了研究。结合中医舌诊机理,用有限元法计算了猪舌内部横、纵剖面的二维温度场。结果表明,舌体传热的特征是温度梯度由舌根到舌尖较大,沿舌厚度方向较小,舌体温度分布受血管分布和血管截面积的影响。得到的舌表面温度场与横纵剖面温度场之间的关系,为结合病症对人舌温度场进行分析计算提供了思路和依据。     

热激励下碳纳米管与水混合体系传质传热的分子动力学模拟

爆发沸腾换热和纳米流体传热具有很重要的理论和实用意义.但由于爆发沸腾传热过程中,液体内部空间温度梯度大,相变速度快,表现出一定的特殊性,纳米流体传热对其传热过程机理的研究,往往需要在实验条件难以实现的空间和时间极限下,充分研究液相和气相内部的温度、压力和运动状态及其空间分布.采用分子动力学的方法,通过对比研究纯水和碳纳米管/水混合体系爆发沸腾过程,对两种体系密度分布、温度场和应力场研究和对比分析,揭示碳纳米管/水混合体系的强化换热机理,探究碳纳米管对混合体系爆发沸腾换热和纳米流体传热的促进作用.     

阿尔法磁谱仪配电系统的热控系统设计及实验研究

本文以阿尔法磁谱仪中的配电系统为研究对象,阐述了利用热管解决配电系统局部温度过高的热控问题。通过数值模拟,采用体点散热问题的仿生优化方法,获得了高导热性的热管在母板中的人工构造,构建了一种有效的热控系统。数值模拟和实验结果对比验证了数值模拟模型的可靠性和仿生优化方法的可行性,也说明了热管在均温和传热方面的优良作用。     

高温填充床蓄热过程传热特性的实验研究

高温蓄热是太阳能热发电、高温热利用等的重要组成部分.本文建立了高温填充床蓄热系统实验装置,采用高温三元熔盐作为传热流体介质,分别采用陶瓷球颗粒和相变球颗粒作为填充材料对蓄热系统进行了实验研究,对蓄热系统进行了整体性能测试.分别得到了显热蓄热和相变蓄热过程中不同时刻、不同测点的温度变化和蓄热量的变化规律,可为蓄热系统的设计提供实验参考.     

蒸汽冷凝过程的分子团聚模型及其对不凝性气体影响传热性能的解释

根据相变过程的微观物理机理和热力学特性,提出了冷凝传热过程中,近壁面蒸汽分子经由团聚阶段进而冷凝成宏观液滴的物理模型.并将团聚体分布与滴状冷凝传热性能相联系,从而研究不凝性气体对滴状冷凝传热过程的影响.在改进的Dillmann和Meier(DM)模型基础上,将分子团聚过程中的临界过饱和度与冷凝过程中的过冷度相联系,以及将团聚体的能量特性与液固界面物理化学特性相联系,将团聚模型与考虑固液界面效应的滴状冷凝传热模型相联系,建立了近壁面条件影响的分子团聚模型.利用模型计算了近壁面蒸汽中团簇体尺寸和分布,以及不凝性气体存在导致的蒸汽冷凝团聚体分布的变化,并结合滴状冷凝传热模型,定量解释了少量不凝性气体的存在,极大影响了冷凝传热性能的现象.模型计算结果与实验结果及文献中含不凝气的蒸汽冷凝传热实验数据进行了比较,两者符合较好,验证了所提出模型的合理性.     

温度对生物组织模拟液光学特性影响的研究

采用牛奶作为生物组织的模拟液,研究温度变化对生物组织光学特性的影响。应用双积分球技术对牛奶在光波波长为1100~1700 nm、温度25~40℃范围内的光学参量进行了测量,分析光学参量随温度的变化规律。结果表明,温度对散射作用的影响比吸收作用更大,随温度的升高,约化散射系数具有明显减小的趋势。与25℃相比,40℃下的约化散射系数下降了约10%;而吸收率的变化趋势不明显且规律复杂。以上研究结果与公开发表的人体离体皮肤组织光学参量随温度变化的研究结果基本一致,从而为深入研究温度对生物组织光学测量的影响提供了理论和实践上的指导。     

高温及超高温热管的启动特性和传热极限

根据局部高温、高热流加热等特殊场合的需求,设计、加工了钠高温热管及锂超高温热管,并对热管的启动和极限特性进行了研究。高温及超高温热管能够顺利启动,但启动时应注意可能到来的声速传热极限。端部加热启动时,端部附近管体部分会形成一段等效的加热段,可以将工质从启动时的固体状态到全部熔化形成相变传热及流动循环的时间确定为启动时间。热管的传热极限特性表明,超高温热管应工作在更高的温度和更大的热流密度。热管的结构和工艺优化有利于启动和运行。