血液流动模拟方法对比分析

对现有主要血液流动模拟方法进行了对比研究.以单个直血管为研究对象,分别用牛顿单相流模型、非牛顿单相流模型、液固两相流剪切稀化模型、液固两相流颗粒动力学模型和血液两相流修正模型计算了血液流场,然后对比了五种模型模拟得到的血液动力学参数:血液流速、红细胞体积分数、流体粘度和壁面剪切应力.结果表明:血液组成和粘度方程的选择对血液速度场计算结果有明显影响;流体本构方程和升力公式对壁面剪切应力计算结果均有明显影响;液固两相流颗粒动力学模型计算得到的血液粘度远偏离正常的血液粘度,模型不适用于模拟稳态血液流动;血液两相流修正模型可以较准确模拟红细胞在血管内的径向分布及其影响.研究结果可为今后相关研究中血液模拟方法的选择提供指导.     

双向流固耦合作用下狭窄左冠状动脉内两相血流分析

基于血流与血管壁间双向流固耦合作用,将血液设为两相流体,运用计算流体力学方法对左冠状动脉内血流进行瞬态数值模拟.研究了一个心动周期内典型时刻下左冠状动脉内血流分布特性,并与Newton(牛顿)血液和两相血液模型对比,分析了两相血液和流固耦合作用对血流特性的影响.结果表明,左冠状动脉左回旋支远段和钝缘支近心端外侧分布了低速涡流区,该区域内壁面切应力和红细胞体积分数均较小,为动脉粥样硬化的形成与发展提供了合适的生理环境.左冠状动脉分叉处管壁形变量较大,引起管壁内膜功能发生紊乱,促进了粥样硬化斑块的形成.3种血液模型对比可知,红细胞的流动特性对血流速度及壁面切应力等血流动力学特性影响较大,双向流固耦合模型更符合真实的血液流动情况.     

三维尾迹型流动中的大尺度旋涡位错形成

应用紧致有限差分——Fourier谱方法求解三维不可压Navier-Stokes方程组,数值研究尾迹型流动的三维演化和旋涡位错. 计算中在来流剖面中引入局部展向非均匀性.数值结果表明流动的不稳定性发展导致三维旋涡涡街流场. 局部非均匀性引起涡街间（沿展向）在频率、相位及强度上的差异. 在非均匀区中产生并形成大尺度链状旋涡位错结构. 用数值模拟详细描述了旋涡位错的形成与特征.     

二阶非牛顿流体环管流动解析解

本文采用积分变换的方法,找到了一类非牛顿流体在环形管道中不定常流动的解析解,并进行了数值计算,详尽分析了非牛顿性系数和其他各参数对二阶流体不定常流动的影响.指出当二阶流体非牛顿系数相同时,环管流与一般管流相比达到稳定的特征时间较短,并且相应的速度分布、平均速度分布的数值均较小,在外半径相同时,环管流内壁的剪应力较之一般管流,其大小随内半径的大小而变,环管流的外壁剪应力总相应地小于内壁剪应力.     

血流动力学模型及应用研究

针对现有血流模拟中采用的流体动力学模型计算量大且实时性差的问题,采用不可压缩稳态非牛顿流体模型对血液流动现象进行仿真,提出一种改进的血流模拟数值计算方法.首先根据血液流变性质、仿真的实时性与细节性的要求,选取合适的血流动力学模型;然后根据所选取的动力学模型,对现有的离散方法进行一定的改进,使得离散后方程的计算量符合仿真的实时性要求;最终计算出粒子的运动信息.实验证明,算法能够有效地降低血流数值计算的复杂度,提高血流绘制的效率.     

圆柱振荡绕流的三维不稳定性研究

通过数值求解三维不可压缩Navier-Stokes方程,研究了振荡圆柱绕流的旋涡不稳定性.研究表明,在一定的参数范围内,由于旋涡不稳定性,振荡流动由二维演化成三维流动,并沿圆柱轴向形成交错排列的三维涡结构.数值计算合理地预测了三维涡结构的空间失稳波长,并与实验测试值相符很好.文中还进一步研究了圆柱的受力特性,通过求解Morison方程,计算了圆柱的阻力和惯性力特性,其计算结果与已有的实验数据相吻合.     

在磁场作用下竖直管中有限长液柱的粘性流体运动

血栓的形成与血液动力学有密切关系．Ｃｈａｎｄｌｅｒ环的实验及进一步的研究表明，Ｃｈａｎｄｌｅｒ环中下弯月面处血栓的形成或许是因为流冲击下弯月面，使血小板和红细胞发生聚集所致。本文研究了竖直管中有限长液柱的粘性流体在磁场作用下的流动状况，应用有限差分方法进行了数值求解。计算结果表明，在适当的磁场强度下，管的下半部分管轴附近的轴向流速度较未加磁时有所减弱，从而减轻了流对下弯月面的撞击作用，可以有效地防止下弯月面处血栓的形成，而且磁场越强，这种减弱作用越明显，这一结果为进一步探求血栓的防治及其形成机制的实验研究有一定指导意义。     

基于Euler-Lagrange模型的电弧风洞喷管两相流模拟

电弧风洞设备中试验气体采用电弧加热,电极烧蚀产生部分微小金属颗粒进入喷管内部进而形成气粒两相流,由此对喷管流场特性和试验段模型上热载荷等的影响值得关注.通过改进时间步长提高了颗粒跟踪算法的计算效率,并基于动量守恒和能量守恒定律耦合喷管内部气相和颗粒相的流动,采用Euler-Lagrange模型建立了一定简化条件下喷管内部气粒两相流动的数值模拟方法,并对典型算例进行了模拟分析.研究表明在相同的颗粒质量分数条件下,颗粒越小,喷管出口区域的流场越均匀.如果颗粒相质量分数较小,喷管出口位置两相流场和纯气相流场差异不明显.该研究工作为深入研究电弧风洞内部两相流场特性奠定了基础.     

湍流相干结构机理研究(Ⅲ)——湍流拟序结构的统计及动力模型及其对传热影响研究

在文献[1]、[2]的启发下,本文建立一个零压梯度下,考虑局部产生以及外来扰动涡旋的壁湍流边界层大涡拟序结构的统计及动力学模型.在此基础上对充分发展的宽明渠流动中壁面附近的热扩散进行了数值模拟,建立了边界层拟序脉动速度和温度的数据库,发现了与速度快慢条相对应的高低温流条及其随时间在展向的摆动.数值模拟结果与前人的计算和实验结果吻合很好.     

弹性动脉血管中血液流动特性的模拟和分析

研究了两个不同的非牛顿血液流动模型:低粘性剪切简单幂律模型和低粘性剪切及粘弹性振荡流的广义Maxwell模型．同时利用这两个非牛顿模型和牛顿模型,研究了磁场中刚性和弹性直血管中血液的正弦型脉动．在生理学条件下,大动脉中血液的弹性对其流动性态似乎并不产生影响,单纯低粘性剪切模型可以逼真地模拟这种血液流动．利用高剪切幂律模型模拟弹性血管中的正弦型脉动流,发现在同一压力梯度下,与牛顿流体相比较,幂律流体的平均流率和流率变化幅度都更小．控制方程用Crank-Niclson方法求解．弹性动脉中血液受磁场作用是产生此结果的直观原因．在主动脉生物流的模拟中,与牛顿流体模型比较,发现在匹配流率曲线上,幂律模型的平均壁面剪切应力增大,峰值壁面剪切应力减小．讨论了弹性血管横切磁场时的血液流动,评估了血管形状和表面不规则等因素的影响．