MECHANOTRANSDUCTION OF THE CELL AND ITS PRIMARY CILIUM IN THE MICROFLUIDIC CHANNEL 1)

细胞处于复杂的生理环境之下,附着在细胞表面的初级纤毛被认为是重要的力学信号传感器,其与细胞的代谢、发育、分裂和增殖等生理活动密切相关.为了研究细胞及其初级纤毛在微流体环境下的力传导行为,本文建立了力-电协同驱动下的矩形微流控通道和含有多孔黏弹性属性的贴壁细胞有限元模型系统.考察了细胞的细胞质和细胞核在振荡层流下的应力、应变、孔隙压力和孔隙流速等力学信号响应,量化研究了初级纤毛作为细胞独特的力学感受器的生物力学行为. 结果表明:细胞在振荡层流下的力学响应表现出和外加力-电驱动载荷相同的震荡规律.渗透率是细胞多孔弹性力学行为的主要影响因素. 初级纤毛是细胞主要的力学感受器,细胞可以通过纤毛长度和直径调节其力学感受敏感性(应力影响区域),随着初级纤毛长度的增大, 其纤毛挠曲刚度减小, 但是敏感性增大.模型的建立为进一步研究微流体剪切作用下的细胞生长、分化等微观机理提供基础,同时也为检测细胞微结构器(纤毛等蛋白链)的力学性能提供了理论技术支持.     

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,即力–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.     

不可压饱和多孔弹性梁、杆动力响应的数学模型

基于多孔介质理论,首先建立了饱和多孔弹性杆件弯曲与轴向变形时动力响应的数学模型.其次,基于多孔弹性梁弯曲变形的数学模型,利用Laplace变换,分析了两端可渗透的饱和多孔弹性悬臂梁在自由端受阶梯载荷作用下的动静力响应,给出了梁弯曲时挠度、弯矩以及孔隙流体压力等效力偶等物理量随时间的响应曲线.发现不可压多孔弹性梁的拟静态响应亦存在Mandel-Cryer现象,多孔弹性梁的挠度具有与粘弹性梁挠度类似的蠕变特征,然而,其应力响应不同于粘弹性梁,随着时间的增加,梁拟静态响应的弯矩逐渐增加,并达到一个稳态值.这些结果有助于揭示植物根茎等力学行为的机理.     

饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁的拟静力弯曲

在经典单相Timoshenko梁变形和孔隙流体仅沿多孔梁轴向运动的假定下,基于不可压饱和多孔介质的三维理论,论文首先建立了横观各向同性饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁拟静力弯曲的一维数学模型,并给出了相应的边界条件.其次,利用Laplace变换及其数值逆变换,分析了端部不同渗透条件下,饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁在端部梯载荷作用下的拟静力响应,给出了饱和多孔Timoshenko悬臂梁弯曲时挠度、弯矩以及孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应曲线,并与饱和多孔Euler-Bernoulli悬臂梁的响应进行了比较,考察了梁长细比对弯曲响应的影响.数值结果表明:固相骨架与孔隙流体的相互作用具有粘性效应,梁弯曲的拟静态挠度具有蠕变行为,端部渗透条件对梁的弯曲变形有显著的影响,并且,饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁的拟静态响应亦存在Mandel-Cryer现象.     

简支饱和多孔弹性梁的非线性弯曲

基于饱和多孔介质理论和弹性梁的大挠度弯曲假设,在多孔弹性梁轴线不可伸长,孔隙流体仅沿轴向方向扩散的限制下,建立了微观不可压饱和多孔弹性梁大挠度拟静态响应的一维非线性数学模型.在此基础上,利用Galerkin截断法,分析了两端可渗透的简支多孔弹性梁在突加横向均布载荷作用下的非线性弯曲,给出了梁弯曲时挠度、弯矩以及孔隙流体压力等效力偶随时间的响应曲线.数值结果表明:当载荷较小时,大挠度非线性与小挠度线性理论的结果相差很小,而当载荷较大时,非线性大挠度理论的结果小于相应线性小挠度理论的结果,并且这种差异随着载荷的增大而增大.同时,在载荷突加于梁上时,多孔弹性梁骨架起初不变形,孔隙流体压力等效力偶由零突增为非零,其值与外载荷保持平衡.随着时间的增加,梁的挠度增加,等效力偶逐渐减小为零,最终多孔梁骨架承担全部的外载荷.     

弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳的自由振动分析

旨在研究热-力-电载荷下弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳的自由振动。首先,建立弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳动力学模型;然后,应用三阶剪切变形壳体理论和修正的偶应力理论,推出弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳模态频率的解析解;最后,通过数值算例分析了微圆柱壳模态频率的影响因素。结果表明：Pasternak弹性支撑比Winkler弹性支撑更有利于提高微圆柱壳的模态频率;改变弹性支撑的刚度系数、轴向力、外加电压、孔隙分布、材料体积分数指数和结构尺寸可调节微圆柱壳的模态频率;孔隙体积分数越大,温度或轴向力对模态频率的影响越大,而电压对模态频率的影响则越小;不同材料指数下,增大孔隙体积分数对模态频率的影响趋势不同;弹性支撑会减弱温度、轴向力和电压对模态频率的影响,对薄圆柱壳或短圆柱壳模态频率的影响较为显著。     

轴向扩散不可压饱和多孔弹性梁的拟静态弯曲

建立了横观各向同性不可压饱和多孔弹性梁拟静态弯曲的数学模型,并给出了一般的求解方法.作为例子,研究了端部不同渗透条件对梁中点承受突加常集中载荷作用的饱和多孔悬臂梁拟静态弯曲的影响,给出了挠度和孔隙流体压力等效力偶沿梁轴线的分布以及随时间的响应曲线.结果表面:端部渗透条件对饱和多孔弹性梁的弯曲行为有显著的影响,梁的弯曲挠度既可随时间单调递增、亦可单调递减,其性态依赖于梁端部的渗透条件.同时发现不同于经典单相弹性梁,由于孔隙流体压力的作用,不承受载荷作用的梁段亦发生弯曲,并且Mandel-Cryer效应亦存在于不可压饱和多孔弹性梁的拟静态响应中,这些结果有助于揭示传热管道、植物根茎等力学行为的机理.     

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。      

饱和不可压多孔弹性板在面内扩散下的动力弯曲理论

根据多孔介质理论,在Kirchhoff假定和小变形前提下,针对流体的面内扩散情形,建立了饱和不可压多孔弹性板动力弯曲的数学模型.然后,利用Fourier展开法研究分析了阶梯载荷作用下四边简支透水矩形多孔弹性板的拟静定和动力弯曲响应,考察了不同参数下多孔弹性板的挠度、孔隙流体压力等效弯矩和固相有效应力等效弯矩的变化规律和特征.同时,通过基于Biot三维固结理论所建立的动力弯曲模型,比较了可压与不可压情况下其结果的差异.     

轴向扩散下简支饱和多孔弹性梁的大挠度分析

基于多孔介质理论和弹性梁的大挠度理论,并考虑轴向变形,在孔隙流体仅沿轴向扩散的假设下,建立了微观不可压饱和多孔弹性梁大挠度弯曲变形的一维非线性数学模型.在此基础上,忽略饱和多孔弹性梁的轴向应变,并利用Galerkin截断法,研究了两端可渗透的简支饱和多孔弹性梁在突加横向均布载荷作用下的拟静态弯曲,给出了饱和多孔梁弯曲时挠度、弯矩和轴力以及孔隙流体压力等效力偶等沿轴线的分布曲线.揭示了大挠度非线性和小挠度线性模型的结果差异,指出大挠度非线性模型的结果小于相应小挠度线性模型的结果,并且这种差异随着载荷的增大而增大.计算表明:当无量纲载荷参数q>5时,应该采用大挠度非线性数学模型进行研究.     

黏弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞的频域响应

研究了无限黏弹性饱和多孔介质中圆柱孔洞(有衬砌)表面受轴对称简谐荷载和流体压力 作用下的频域响应问题. 引入Carcione提出的本构模型来描述介质的流变和松弛性质. 考 虑衬砌和介质的相对渗透性，孔洞处于半封闭状态，边界半透水. 引入两个势函数，在频域 中得到了应力、位移和超孔隙水压力响应解答. 并进行了算例分析，讨论了反映介质黏弹 性性质的最小质量因子，反映孔洞边界半透水性质的渗透性参数及衬砌和介质的相对刚度对 问题的影响. 分析结果表明：以上参数对圆柱孔洞的频域响应有很大影响.     

低雷诺数翼型蒙皮主动振动气动特性及流场结构数值研究

针对低雷诺数(Re)翼型气动性能差的特点,文章通过对翼型柔性蒙皮施加主动振动的方法,提高翼型低Re下的气动特性,改善其流场结构.采用带预处理技术的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,对NACA4415翼型低Re流动展开数值模拟.通过时均化和非定常方法对比柔性蒙皮固定和振动两种状态下的升阻力气动特性和层流分离流动结构.初步研究工作表明在低Re下柔性蒙皮采用合适的振幅和频率,时均化升阻力特性显著提高,分离泡结构由后缘层流分离泡转变为近似的经典长层流分离泡,分离点后移,分离区缩小.在此基础上,文章更加细致研究了柔性蒙皮两种状态下单周期内的层流分离结构及壁面压力系数分布非定常特性和演化规律.蒙皮固定状态下分离区前部流场结构和压力分布基本保持稳定,表现为近似定常分离,仅在后缘位置出现类似于卡门涡街的非定常流动现象.柔性蒙皮振动时从分离点附近开始便产生分离涡,并不断向下游移动、脱落,表现为非定常分离并出现大范围的压力脉动.蒙皮振动使流体更加靠近壁面运动,大尺度的层流分离现象得到有效抑制.      

Three Dimensional Vibration Transmission of a Plate on a Layer of Porous Medium Due to a Moving Load

Three-dimensional (3D) transmission of vibration in an infinite elastic thin plate on a layer of poroviscoelastic medium, due to a harmonic, rectangular moving load, is investigated theoretically based on Biot’s theory. The material of the medium is idealized as a uniform, fully saturated poroviscoelastic layer on bedrock. By introducing four scalar potential functions and Helmholtz decomposition theorem, analytical solutions of stress, displacement, and pore pressure with and without thin plate are derived using Fourier transform technique. Numerical results are obtained with the help of inverse Fourier transform and are used to analyze the influence of load velocity, porosity, permeability, relative stiffness of plate versus ground, and the thickness of plate on the vibration. Furthermore, the results are compared with the available dynamic response results of a non-moving load on a layer of viscoelastic material.     

煤仓内煤散料流动状态与力学行为影响因素

针对煤仓内煤散料流动问题及其力学行为,采用三维颗粒流模拟程序PFC3D建立了某型号煤仓与某种煤散料的离散元模型,简述了其力学模型与求解步骤,模拟分析了煤仓内煤散料卸料流动状态。通过分析水平向侧压力、颗粒速度场和接触力场,重点讨论了煤仓下部锥体内壁面摩擦系数、锥仓倾角和卸料口径等对煤散料颗粒流动状态和力学行为的影响。结果显示,深仓卸料流动为整体流动与中心流动混合状态,煤仓内壁摩擦系数、锥体倾角和卸料孔开口半径均对煤散料流动和水平侧压力有较大影响。     

透水与隔水夹层对粉质土液化影响试验研究

黄河三角洲沉积物以粉质土为主,循环荷载作用下隔水夹层与透水夹层的存在对粉质土孔压累积、消散及液化的影响如何,目前尚不清楚。本文针对4种隔水夹层与透水夹层的组合情况,利用现场原位振动和室内土样振动试验,研究隔水夹层与透水夹层的存在对循环荷载作用下黄河口粉质海床土液化过程影响,发现循环荷载导致黄河三角洲粉质土孔隙水压力、粒度成分、密度、含水量及孔隙比等物性指标发生的变化,因夹层的不同有明显的差异,并且其液化性能因夹层结构的不同而不同,有透水夹层时,相对提高了粉土的抗液化性能,隔水夹层则相反。     

Finite difference scheme for the solution of fluid flow problems on non‐staggered grids

A new finite difference methodology is developed for the solution of computational fluid dynamics problems that do not require the use of staggered grid systems. Previous successful and robust non‐staggered methods, which used primitive variables and mass conservation in order to solve the pressure field, either interpolate cell‐face velocities or interpolate the pressure gradients in a special way, usually with an upwind‐bias to avoid the problem of odd–even coupling between the velocity and pressure fields. The new methodology presented does not detail a ‘special interpolation procedure for a primitive variable’, however, it manages to avoid the problem of odd–even coupling. The odd–even coupling is avoided by applying fourth‐order dissipation to the pressure field. It is shown that this approach can be regarded as a modified Rhie and Chow scheme. The method is implemented using a SIMPLE‐type algorithm and is applied to two test problems: laminar flow over a backward‐facing step and laminar flow in a square cavity with a driven lid. Good agreement is obtained between the numerical solutions and the corresponding benchmark solutions. The pressure dissipation term was found to successfully suppress wiggles in the pressure field. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

Force on inner hair cell cilia

The cochlea of the inner ear transforms the incoming sound pressure into neural excitation. Despite extensive experiments and modeling for the past century, understanding the behavior of the cochlea is far from complete. With an efficient program (Fast4) for shell of revolution structures, all mechanical (elastic) details of the curved cochlear cross-section and the organ of Corti can be computed. Based on the known values for the elastic moduli of the protein fibers and estimates for the geometry, the responses to point and pressure loads have been calculated which are reasonably close to the direct measurements. In the present work, the details of the inner hair cell are included, with a fluid gap between the tip of the cilia and the Hensen stripe of the tectorial membrane. A simple model for the near contact indicates nonlinear response similar to the intracellular recordings. This near contact is included into a more complete elastic model for the organ of Corti that includes three rows of cilia and tip links. The phase of the maximum tension of the tip link, which causes excitation of the cell, is computed for low frequencies for comparison to measurements. For low frequencies the fluid motion in the organ of Corti is approximately two-dimensional. The phase is found to be affected by: (1) geometrical difference between basal and upper turns of the cochlea, (2) initial gap spacing between the tip of the cilium and the Hensen stripe, (3) initial gap spacing between the tip of the cilium and the tectorial membrane, (4) presence of an electrode probe constraint on the motion of the inner hair cell, and (5) the stiffness of the tectorial membrane. The latter is the most significant. For a soft tectorial membrane, the excitation is generally between maximum velocity and displacement of the basilar membrane toward scala vestibuli. However, for a stiff tectorial membrane, the phase changes to an excitation with velocity and displacement toward scala tympani. Thus a possible mechanical reason is offered for the auditory nerve excitation in the base of the chinchilla cochlea for basilar membrane velocity toward scala tympani and in the middle and upper turns of the guinea pig cochlea, excitation for velocity toward scala vestibuli.     

Two‐dimensional implicit time‐dependent calculations on adaptive unstructured meshes with time evolving boundaries

An implicit multigrid‐driven algorithm for two‐dimensional incompressible laminar viscous flows has been coupled with a solution adaptation method and a mesh movement method for boundary movement. Time‐dependent calculations are performed implicitly by regarding each time step as a steady‐state problem in pseudo‐time. The method of artificial compressibility is used to solve the flow equations. The solution mesh adaptation method performs local mesh refinement using an incremental Delaunay algorithm and mesh coarsening by means of edge collapse. Mesh movement is achieved by modeling the computational domain as an elastic solid and solving the equilibrium equations for the stress field. The solution adaptation method has been validated by comparison with experimental results and other computational results for low Reynolds number flow over a shedding circular cylinder. Preliminary validation of the mesh movement method has been demonstrated by a comparison with experimental results of an oscillating airfoil and with computational results for an oscillating cylinder. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.