平行平板流动腔脉动流切应力的计算

高度远小于横向和纵向几何尺寸的矩形平行平板流动腔是人们用以体外研究细胞在切应力作用下力学行为的主要工具之一。大多数研究者主要对定常层流情进行研究。本文通过对矩形平行平板流动腔内的层流脉动流进行详细分析,给出腔内速和腔室底部切应力的准确计算公式。当Ｗｏｍｅｒｓｌｅｙ数较小时,准确公式简化为准定常公式。数值计算结果表明,在脉动流条件下,对于人们常用的流动腔几何尺寸,准定常公式具有相当高的精度。这为在脉     

平行平板流动腔的数值优化设计

平行平板流动腔系统是研究切应力对细胞影响的体外实验装置之一。前期研究发现,流动腔的高度存在一个最佳高度,使用这个高度可以有效地减小或避免由于装配所引起的高度误差对切应力的影响。为了获得这一最佳高度,本文使用数值方法研究了平行平板流动腔的几何尺寸、流体粘度与集中液阻之间的关系,并拟合得到了集中液阻的函数关系式。利用液阻关系式和切应力计算公式,求得了对底部切应力影响最小的最佳高度的表达式。同时,研究还发现,对于相同的底部切应力,当高度取最佳高度时,所需的入(出)口压差最小。这样在流动腔底部沿轴向的压力梯度也就越小,沿轴向不同位置之间的压力差别也越小,这将有利于细胞力学实验结果之间的比较。     

一种骨小管中液体流动产生的流量及切应力模型

骨组织受力变形后其内部液体就会流动,同时在其微观结构——骨单元壁中扩散,并进一步产生一系列与骨液流动相关的物理效应,如流体剪切应力、流动电位等,这些物理效应被细胞感知并做出破骨或成骨等反应,来使骨适应外部载荷环境.鉴于骨组织产生的内部液体流动很难实验测定,理论模拟是目前的主要研究手段.基于骨单元的多孔弹性性质建立了骨小管内部液体的流动模型,该模型将骨单元所受的外部载荷与骨小管内部液体的压力、流速、流量和切应力联系起来,并进一步可以研究其力传导与力电传导机制.骨小管模型的建立分别基于中空和考虑哈弗液体的骨单元模型,并考虑了骨单元外壁的弹性约束和刚性位移约束两种边界条件.最终得到骨单元在外部轴向载荷作用下,骨小管内部液体的流量及流体切应力的解析解.结果表明:骨小管中的液体流量与流体切应力都正比于应变载荷幅值和频率,并由载荷的应变率决定.因此应变率可以作为控制流量和流体切应力的一种生理载荷因素.流量随着骨小管半径的增大而非线性增大,而流体切应力则随着骨小管半径的增大而线性增大.此外,在相同的载荷下,含哈弗液体的骨单元的模型中,骨小管中液体的流量和切应力均大于中空骨单元模型.     

一种力-电协同驱动的细胞微流控培养腔理论模型

细胞培养液在微流控生物反应器中受到外界物理场（如压力梯度或者电场）作用流动而产生流体剪应力,并进一步刺激种子细胞调控其内部基因的表达,从而促进细胞的分化和生长,这个过程在自然生命组织内的微管中亦是如此。考虑到细胞培养微腔隙中液体流动行为很难实验量化测定,理论建模分析是目前可行的研究手段。因此建立了矩形截面的细胞微流控培养腔理论模型,将外部的物理驱动场（压力梯度与电场）与培养腔内液体的流速、切应力和流率联系起来,分别得到了压力梯度驱动（Pressure gradient driven,PGD）、电场驱动（Electric field driven,EFD）及力-电协同驱动（Pressure-electricity synergic driven,P-ESD）三种驱动方式下的液体流动理论模型。结果表明该理论模型与现有的实验结果基本一致,具体地:力-电协同作用下的解答为压力梯度驱动和电场驱动结果的叠加。细胞培养腔内的流体流速、剪应力及流率幅值均正比于外部物理场强幅值,但随着压力梯度驱动载荷频率的增大而减小,随着电场驱动频率的变化不明显。在压力梯度驱动作用下,细胞贴壁处的切应力随着腔高的增大而线性增大,流率则随着腔高的增大而非线性增大,而电场驱动下的结果不受腔高的影响。生理范围内的温度场变化对压力和电场驱动的结果影响不大。另外,在引起细胞响应的流体切应力水平,电场驱动能提供较大的切应力幅值而压力梯度驱动则能提供较大的流率幅值。该理论模型的建立为细胞微流控生物反应器实验系统的设计及参数优化提供理论参考,同时也为力-电刺激细胞生长、分化机理的研究的提供基础。      

局部狭窄血管中血液振荡流的速度和切应力

本文建立一种分析局部缓慢狭窄血管中血液振荡流的数学模型，给出了血液的轴向流速，径向流速和切应力的包含压力梯度项的解析表达式，并讨论了血管内由局部狭窄引起的压力梯度沿轴向变化的规律。文章以局部余弦狭窄为例进行数值计算，详细讨论上游均匀管段压力梯度的定常部分和不同次谐波对狭窄管段内流速和切应力的影响。数值结果表明，与均匀管情况相比，在狭窄段内，血液振荡流轴向流速无论平均值还是脉动幅值均明显增大，且径向流速不再为零。但径向流速仍远小于轴向流速。同时，切应力也不再仅由轴向流速梯度提供，径向流速梯度也将产生切应力，但是在计算管壁切向上的切应力时，径向流速梯度的贡献仍相当大。与均匀管管壁切应力沿流运方向保持恒定不同。狭窄管管壁切应力（平均值和脉动值）将随着狭窄高度的增大而增大，在狭窄最大高度处达到最大，因而沿流动方向产生了较大的切应力梯度。     

局部扩张动脉管血液振荡流的切应力分布

本文求解局部缓慢扩张动脉管中血液振荡流的基本方程，得到血管内血液的流速与压力梯度的关系。通过导出压力梯度沿局部扩张管轴向的变化特性。建立利用扩张段上游血管均匀段中心流速波形确定局部扩张管中血液流的速度和切应力分布的方法，文章以人体颈动脉余弦扩张为例进行分析。详细讨论了局部扩张对血管壁切应力及其梯度分布的影响。数值结果表明，在与刚性均匀管中管壁切应力沿轴向保持不变不同，在局部扩张段，管壁切应力将随着血管半径的增大而减小，因而管壁切应力梯度一般不为零，甚至在某些位置达到相当大的数值。另外，随着血管扩张程度的增加，管壁切应力还将进一步减小，而且管壁切应力梯度也将进一步增大，血管扩张导致管壁切应力的这些变化将直接影响血管壁的结构和功能，使其产生适应性的变化。     

用代数应力模型模化型腔充填过程中的紊流流动

针对型腔充填过程中的紊流流动，用代数应力模型研究紊流流动现象．成功地将代数应力模型引入ＰＨＯＥＮＩＣＳ软件中，完成了恒温流体充填过程三维时均速度和自由表面的计算模拟．与实验结果相比说明，本文基于ＰＨＯＥＮＩＣＳ软件开发的充填模拟具备了对复杂型腔充填过程的数值计算．     

黏弹性流体纯弹性不稳定现象研究综述

近年来粘弹性流体流动的弹性不稳定性现象引起了越来越多学者的关注与研究,与牛顿流体惯性不稳定现象不同,这种现象是由粘弹性流体流动中的弹性应力和粘性力之间相互作用,使得在较低的雷诺数下即可产生复杂的流动分岔不稳定现象。当流动中的弹性数（表现为 Deborah 数 De 与Reynolds 数Re 的比值,其中 De 数定义为粘弹性流体的松弛时间和流动的特征时间的比值,Re 数表征流动中惯性力与粘性力之比）较大时,在 Re<相似文献   

叠梁的变形与弯曲切应力影响的关系讨论

梁的弯曲切应力分析是材料力学中的一个重要内容，但是通过叠梁与整体梁不同弯曲变形形式的演示实验来说明梁层间存在切应力容易造成概念上的混淆。本文仍然采用材料力学方法分析了层间粘接后两层之间的相互作用，指出其本质是约束两层的拉伸与压缩变形而非约束层间剪切变形。正是这种约束作用使得横截面弯曲正应力重新分布，造成两种梁弯曲变形的明显差异。这一分析过程能够启发学生思考实验现象背后的力学本质，理解相关力学概念。     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

Fluid flow and fluid shear stress in canaliculi induced by external mechanical loading and blood pressure oscillation

The paper studies the problem of fluid flow and fluid shear stress in canaliculi when the osteon is subject to external mechanical loading and blood pressure oscillation. The single osteon is modeled as a saturated poroelastic cylinder. Solid skeleton is regarded as a poroelastic transversely isotropic material. To get near-realistic results, both the interstitial fluid and the solid matrix are regarded as compressible. Blood pressure oscillation in the Haverian canal is considered. Using the poroelasticity theory, an analytical solution of the pore fluid pressure is obtained. Assuming the fluid in canaliculi is incompressible, analytical solutions of fluid flow velocity and fluid shear stress with the Navier-Stokes equations of incompressible fluid are obtained. The effect of various parameters on the fluid flow velocity and fluid shear stress is studied.     

Wall shear stress modified by bubbles in a horizontal channel flow of silicone oil in the transition region

We performed laboratory experiments on bubbly channel flows using silicone oil, which has a low surface tension and clean interface to bubbles, as a test fluid to evaluate the wall shear stress modification for different regimes of bubble migration status. The channel Reynolds numbers of the flow ranged from 1000 to 5000, covering laminar, transition and turbulent flow regimes. The bubble deformation and swarms were classified as packing, film, foam, dispersed, and stretched states based on visualization of bubbles as a bulk void fraction changed. In the dispersed and film states, the wall shear stress reduced by 9% from that in the single-phase condition; by contrast, the wall shear stress increased in the stretched, packing, and foam states. We carried out statistical analysis of the time-series of the wall shear stress in the transition and turbulent-flow regimes. Variations of the PDF of the shear stress and the higher order moments in the statistic indicated that the injection of bubbles generated pseudo-turbulence in the transition regime and suppressed drag-inducing events in the turbulent regime. Bubble images and measurements of shear stress revealed a correlated wave with a time lag, for which we discuss associated to the bubble dynamics and effective viscosity of the bubble mixture in wall proximity.     

刚性圆管中血液周期振荡流的切应力分布

本文通过求解圆管内血液振荡流的基本方程，求得圆管内血液流的压力梯度与切应力之间的关系式。在此基础上，详细讲座了圆管中轴向流速和切变率谐波的变化规律，指出流速谐波和切变率谐波的幅值都将随着谐波次数的增大而逐渐减小。为了使所得结果便于应用。文章通过管轴向中心线流速与压力梯度之间的关系式，进一步给出一种利用管轴向中心线流速计算管内切应力分布的简便方法。该方法用于检测活体血管内血液振荡流的切应力分布，具有操作简单，精度较高的优点。最后，以人体颈动脉为例，讨论血液周期振荡流的切应力的分布特性。发现在任意时刻，除了邻近管壁处切应力急剧增大到一定数值之外，沿管截面切应力分布相当均匀且接近于零，呈现出与定常流不同的切应力分布特征。     

一种确定均匀动脉壁面切应力的非线性方法

从Ling和Atabek提出的``局部流'理论出发，提出一种利用测量血液黏度、管轴上 的血流速度、压力和管径波形计算均匀动脉管壁切应力的非线性方法. 将这种方法与柳兆荣 等提出的利用测量血液黏度、管轴上的血流速度和平均管径计算切应力的线性方法比较，结 果表明，当管壁脉动幅度较小时，两种方法计算的压力梯度、流速剖面和管壁切应力差别较 小；而当管壁脉动幅度增大时，两种方法计算的压力梯度、流速剖面和管壁切应力差别增大. 对于小幅脉动均匀动脉，用线性方法计算管壁切应力有较高的精度；而对于大变形 均匀动脉，则需要考虑非线性因素对管壁切应力的影响. 由于作为输入量的血液黏度、轴心 血流速度、压力波形和管径波形可在活体上通过无损伤或微损伤的检测方法得到， 所提出的计算切应力的方法为在体或离体研究切应力与动脉重建的关系提供了方法学基础.     

Computer Simulation of Non-Newtonian Flow and Mass Transport Through Coronary Arterial Stenosis

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｍｏｓｔｏｂｖｉｏｕｓｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆａｔｈｅｒｏｓｃｌｅｒｏｓｉｓｉｓｔｈｅｌｏｃａｌｉｎｔｉｍａｌａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｌｏｗ＿ｄｅｎｓｉｔｙｌｉｐｏｐｒｏｔｅｉｎ(ＬＤＬ) ,ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｆｉｂｅｒａｌｔｉｓｓｕｅａｎｄｔｈｅｓｔｅｎｏｓｉｓ.Ｏｎｏｎｅｈａｎｄ ,ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｄｉｓｅａｓｅｏｆｔｅｎｏｃｃｕｒｓａｔｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｇｅｏｍｅｔｒｙｒｅｇｉｏｎ ,ｓｕｃｈａｓｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎｚｏｎｅ,ｃｕｒｅ…     

颗粒材料剪切流动状态转变的环剪试验研究

颗粒材料的剪切流动行为广泛地存在于滑坡、泥石流等自然灾害以及矿物原料传输、泵送等工业过程中.颗粒材料在不同体积分数、剪切速率和应力约束下会表现出不同的流动状态并发生相互转化.对颗粒材料在剪切流动过程中力学特性的研究有助于加深理解其发生不同流动状态的内在机理,为解决相应的颗粒材料问题提供理论依据.为此,本文研制了颗粒材料剪切流动的中型环剪仪,并对颗粒材料在不同法向约束应力和剪切速率下的剪切应力和体积膨胀率进行了测试.结果表明,剪切应力和体积膨胀率均随剪切速率的增大而增大,但增长速率在临界剪切速率处发生转变,使其随剪切速率的平方呈分段式线性增长.通过对颗粒材料在不同剪切速率和惯性数下有效摩擦系数变化趋势的分析,讨论了颗粒材料由慢速流向快速流转化的基本规律,以及在临界剪切速率处发生流动状态转化的内在条件.此外,通过对不同法向应力下临界剪切速率以及快速流动下运动规律的测试,发现临界剪切速率随法向应力的增加而减小,即法向应力可促进颗粒材料由慢速流向快速流的转化,但在快速流动状态下的有效摩擦系数对法向应力不敏感.以上对颗粒材料在不同剪切速率、法向应力下流动状态的环剪试验研究有助于揭示其发生不同流动状态转化的内在机理.      

A fluid flow model in the lacunar-canalicular system under the pressure gradient and electrical field driven loads

The lacunar-canalicular system (LCS) is acknowledged to directly participate in bone tissue remodeling. The fluid flow in the LCS is synergic driven by the pressure gradient and electric field loads due to the electro-mechanical properties of bone. In this paper, an idealized annulus Maxwell fluid flow model in bone canaliculus is established, and the analytical solutions of the fluid velocity, the fluid shear stress, and the fluid flow rate are obtained. The results of the fluid flow under pressure gradient driven (PGD), electric field driven (EFD), and pressure-electricity synergic driven (P-ESD) patterns are compared and discussed. The effects of the diameter of canaliculi and osteocyte processes are evaluated. The results show that the P-ESD pattern can combine the regulatory advantages of single PGD and EFD patterns, and the osteocyte process surface can feel a relatively uniform shear stress distribution. As the bone canalicular inner radius increases, the produced shear stress under the PGD or P-ESD pattern increases slightly but changes little under the EFD pattern. The increase in the viscosity makes the flow slow down but does not affect the fluid shear stress (FSS) on the canalicular inner wall and osteocyte process surface. The increase in the high-valent ions does not affect the flow velocity and the flow rate, but the FSS on the canalicular inner wall and osteocyte process surface increases linearly. In this study, the results show that the shear stress sensed by the osteocyte process under the P-ESD pattern can be regulated by changing the pressure gradient and the intensity of electric field, as well as the parameters of the annulus fluid and the canaliculus size, which is helpful for the osteocyte mechanical responses. The established model provides a basis for the study of the mechanisms of electro-mechanical signals stimulating bone tissue (cells) growth.