生物磁粘弹性流体的流动:应用动脉电磁过热评估血液的流动,癌症治疗进程

利用生物磁流体动力学(BFD)原理,在生物磁流体经由遭受磁场作用的多孔介质时,研究其流动的基本理论.所研究流体的磁化强度随温度而变化.流体被认为是非Newton流体,其流动由二阶梯度流体方程所控制,并考虑了流体的粘弹性效应.假设管道壁是能够伸展的,管壁表面的速度与到坐标原点的纵向距离成正比.首先将问题简化为包括7个参数的、耦合的非线性微分方程组的求解.将血液看作生物磁流体,并用上述方法分析,目的是计算某些血液的流动参数,并配以适当的数值方法,导数用差分格式近似.计算结果用图形给出,从而在磁场作用下,得到过热状态中关系血液的、血流动力学流动的理论预测.结果清楚地表明,在电磁过热治疗进程期间,磁偶极子对动脉中血液流动特征的影响起着重大作用.该研究引起了临床医学的关注,其结果有益于癌症病人采用电磁过热的治疗.     

二维各向同性多孔介质的弹性动力学通解

在二维直角坐标系下,从固体位移和流体流速满足的基本方程出发,研究了二维各向同性多孔介质的弹性动力学通解.首先引入4个物理量,对固体骨架的运动方程、流体流速运动方程、连续性方程进行整理,将方程组分解成膨胀波和扭转波两部分,并利用Lur’e算子矩阵理论,获得由3个类调和函数表示的动力学通解,该通解满足全部基本方程.最后将时间项退化获得稳态通解,并证明了稳态通解的完备性.     

孔隙介质中磁热粘弹波的传播

这一课题的内容和意义以及历史发展,请见文献[1-4]。 本文研究两相介质(饱含流体的多孔介质)在磁场作用下,当固相骨架为导电、导热的粘弹性体时地震波的传播。首先,用文[23]的思想建立数学模型,直接耦合流动、应力场和电磁场;其次,研究波的传播规律,具体     

各向异性粘弹性多孔介质中平面波的传播

讨论了弹性多孔介质中波的传播的（或许是）最一般的模型。考虑的介质是粘弹性的、各向异性的、多孔固体骨架，其各向异性可渗透的孔隙中充满着粘性液体。考虑一般类型的各向异性，并且介质中的衰减波作为非均质波处理。对介质中4种衰减波中的每一种，将复慢矢量分解定义为相速度、均质衰减、非均质衰减和衰减角。用一个无量纲参数来度量非均质波与其均质波的区别。利用北海沙岩的数值模型，分析传播方向、非均质参数、频率范围、各向异性对称性、骨架滞弹性和孔隙流体粘度，对该类介质中波传播特性的影响。     

流体饱和多孔介质中波传播问题的有限元分析

采用基于混合物理论的多孔介质模型,给出流体饱和两相多孔介质波动问题的有限元分析方法·　采用罚方法导出的有限元动力方程,时间积分可采用显式和隐式积分两种方案·　用编制的有限元程序分析了一维柱体在跃阶载荷和脉冲载荷作用下的波传播问题,得到该两种瞬态载荷作用下固体和流体相位移、速度以及固体相有效应力和孔隙压力随时间的变化关系,并对波的传播现象进行了分析·　所得结果与理论相吻合·     

饱和多孔介质的超粘弹性本构理论研究

为了建立能考虑固体材料、多孔固体与流体可逆和不可逆变形的饱和多孔介质超粘弹性理论,以多孔固相为参考构型,以有效应力、材料真实应力和流相真实孔压作为状态变量,结合混合物均匀化响应原理获得各项均符合热力学功共轭特征的饱和多孔介质能量平衡方程,根据非平衡热力学熵分解理论求得熵流和熵产.结果表明,超弹塑性理论是该理论的一个特例;多孔固体的总变形可分为固相间隙和材料变形两部分,间隙应变与Terzaghi有效应力构成功共轭对,材料应变与材料真实应力构成功共轭对.饱和多孔介质的自由能可分为固相和流相两部分.当固相间隙和材料变形解耦时,固相所含的自由能又可分为间隙和材料两部分.证明了Skempton有效应力不是饱和多孔介质的基本应力状态变量.     

平面P波在弹性介质和非饱和多孔弹性介质分界面上的传播

使用线性粘滞的多孔弹性介质模型,解决在弹性介质和非饱和多孔弹性介质分界面上平面P波的反射与透射问题,这里的非饱和多孔介质中固体骨架被两种相互耦合的流体（液体和气体）所充满．通过势函数的方法得到了振幅反射系数与振幅透射系数．然后推导得到入射波与反射波、透射波之间能量转换情况．研究发现:用振幅比和能量比所表示的反射系数与透射系数是与入射角度、饱和度、入射频率以及上下层介质的弹性常数有关的方程式．数值计算通过图形的形式表达出来,而且入射角度、频率及饱和度对振幅和能量的反射与透射系数的影响分别进行了讨论．证明了在整个波的传播过程中分界处并没有发生能量的耗散．     

多孔固体充满黏性流体时的边界条件

基于物理学基本原理和能量守恒定律的精确检查,导出充满黏性流体多孔固体边界呈连续性要求的边界条件.当孔隙流体具有黏性时,多孔弹性固体就是一个耗散的充满黏性流体的多空固体.孔隙流体的黏性造成的耗散应力准确地表达了边界条件.边界上两种固体连接的不完全,导致孔隙流体的流出,多孔骨料两边微粒运动的不平衡.导出多孔.多孔固体界面孔隙局部连接时的数学模型.在该界面上,滑移的松.紧,以及孔隙开.合,能造成一部分应变能的耗散.数值结果表明,在水和饱和油砂岩之间的界面上,修正的边界条件将影响各向同性多孔介质中折射波的能量.     

含液体非弹性多孔介质中波传播过程的失稳与逸散性

在基于Biot理论的饱和-非饱和多孔介质的动力-渗流模型中计及流固惯性耦合效应。对单轴应变的一维情况讨论了饱和和非饱和多孔介质中波传播过程的驻值失稳和逸散性,分析了流固粘性耦合,流固惯性耦合,流固混合体的压缩性,孔隙水饱和度,及固体骨架在高应变速率下材料粘弹塑性本构行为等因素的影响。该工作将对克服饱和与非饱和多孔介质在强动荷载下波传播过程的数值求解困难提供理论上的依据和启示。     

横观各向同性含液饱和多孔介质中应力波传播的特征分析

根据广义特征理论,对横观各向同性含液饱和多孔介质中应力波传播特性进行了特征分析．给出了特征曲面的微分方程以及沿次特征线的相容条件,得到了波阵面的解析表达式．详细地讨论了应力波在横观各向同性含液饱和多孔介质中传播时,其速度曲面和波阵面的形状及性质．分析结果亦表明,纯固体中应力波传播的特征方程,是含液饱和多孔介质中应力波特征方程的特例．     

多孔介质平板通道发展传热中非局部热平衡时的温度分布特征

研究了多孔介质平板通道中,Darcy流体发展传热强迫对流非局部热平衡下,固相骨架和孔隙流体的温度分布特征．考虑流体流动方向的热传导以及固相和流相相互作用的粘性耗散,根据非局部热平衡的两能量方程模型,得到了常壁温度时多孔介质固相骨架温度和孔隙流体温度的解析解．证明了当两相间的热交换系数趋于无穷大时,两能量方程的温度解趋于局部热平衡时一能量方程的温度解．针对不同的无量纲参数,给出了固相和流相的温度分布状态,通过参数研究,揭示了非局部热平衡强迫对流时温度对无量纲参数的依赖关系．     

带对流项的一维渗流方程解的渐近性质

如果我们考虑不可压缩流体在均匀刚性多孔介质中的非饱和流动,在适当前提下,垂直方向流体的运动就由方程(1.1)所描述。此处(φ(u))_(xx)和(g(u))_x分别为扩散项和对流项,φ和g通常由流体和多孔介质的特性所决定。     

饱和多孔介质中骨架的应变局部化萌生条件

应用饱和多孔介质控制方程和Liapunov稳定理论,导出了固相应力和有效应力描述的多孔介质骨架应变局部化的萌生条件．不同应力形式表达的多孔介质基体的控制方程,相应的应变局部化萌生条件的表达形式也不尽相同,其原因源于骨架本构中固液两相之间相互作用的不同描述．应用得出的Terzaghi有效应力描述的应变局部化萌生条件,可以理论解释多孔介质中固、液两相不同相对运动出现的破坏方式,如管涌、滑坡和泥石流．应用简单算例说明了应变局部化条件的具体实施方法．     

竖直平板嵌入非Darcy多孔介质时,数值研究流过平板的不稳定MHD自然对流中的Dufour和Soret效应

就竖直平板嵌入非Darcy多孔介质中,导电流体流过平板时作不稳定的二维磁流体(MHD)双扩散对流,数值研究了Dufour和Soret效应对流动的影响.用Crank-Nicolson型的隐式有限差分法,按三对角矩阵处理,求解无量纲的非线性控制方程.详细地研究了问题中出现的各种参数对不稳定无量纲的速度、温度和浓度曲线的影响.进一步地,给出并分析了表面摩擦因数、Nus-selt数和Sherwood数随时间的变化.研究结果表明,不稳定速度、温度和浓度分布曲线,受Dufour和Soret的影响十分显著.随着Dufour数的增加或者Soret数的减小,表面摩擦因数和Sherwood数都在减小,而Nusselt数在增加.研究发现,当磁场参数增加时,边界层中的速度和温度在减小.     

横观各向同性电磁弹性介质中裂纹对SH波的散射

研究横观各向同性电磁弹性介质中裂纹和反平面剪切波之间的相互作用．根据电磁弹性介质的平衡运动微分方程、电位移和磁感应强度微分方程,得到SH波传播的控制场方程．引入线性变换,将控制场方程简化为Helmholtz方程和两个Laplace方程A·D2通过Fourier变换,并采用非电磁渗透型裂面边界条件,得到了柯西奇异积分方程组．利用Chebyshev多项式求解积分方程,得到应力场、电场和磁场以及动应力强度因子的表达,并给出了数值算例．     

饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁的动、静力弯曲

在经典单相Timoshenko梁变形和孔隙流体仅沿饱和多孔弹性梁轴向运动的假定下,基于不可压饱和多孔介质的三维Gurtin型变分原理,首先建立了饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁动力响应的一维数学模型．在若干特殊情形下,该模型可分别退化为饱和多孔弹性梁的Euler-Bernoulli模型、Rayleigh模型和Shear模型等．其次,利用Laplace变换,分析了固定端不可渗透、自由端可渗透的饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁在自由端阶梯载荷作用下的动静力响应,给出了梁自由端处挠度随时间的响应曲线,考察了固相与流相相互作用系数、梁长细比等参数对悬臂梁动静力行为的影响．结果表明:饱和多孔弹性梁的拟静态挠度具有与粘弹性梁挠度类似的蠕变特征．在动力响应中,随着梁长细比的增大,自由端挠度的振动周期和幅值增大,且趋于稳态值的时间增长,而随着两相相互作用系数的增大,梁挠度振动衰减加快,并最终趋于经典单相弹性Timoshenko梁的静态挠度．     

多孔介质瞬态分析中非分裂PML及时域有限元实现

在波场的数值模拟中,完全匹配层(perfectly matched layer,PML)已经被证明是一种十分有效的吸收技术,并得到了广泛的应用.为了解决具有无限域的多孔介质中2阶弹性波动方程数值模拟中的吸收边界问题,提出了一种非分裂格式的PML(non-splitting perfectly matched layer,NPML).首先,基于Biot多孔介质波动理论,建立了以固相和流相位移表示的2阶动力控制方程,其中考虑了固体颗粒和孔隙流体的可压缩性、惯性以及孔隙流体的粘性.其次,根据复伸展坐标变换的定义,通过Laplace变换获得了非分裂格式PML的频域表达式.然后,借助辅助函数将该方程变换到时间域内,得到了一种有效的非分裂PML.最后,基于Galerkin近似方法,给出了其时域有限元计算格式.通过数值算例分析了该非分裂格式的PML在饱和介质动力响应分析中的有效性.     

基于元胞自动机理论的孔隙介质渗流的模拟应用

基于元胞自动机理论,建立了四方形网格元胞空间和摩尔型元胞邻居为类型的时空动态演化模型,并设计了模拟流程.利用两点分布表征岩石骨架和孔隙空间的非均匀分布,设定了可表征流体在多孔介质中渗流的演化规则,对二维和三维岩石多孔介质流体渗流的元胞矩阵进行了模拟,分析得到了两点分布不同概率对渗流数学参数的影响,分析了不同注入方式对流体最终占据孔隙空间的分布形态的影响,注入方式包括点注入、线注入和面注入,最终对真实CT扫描的数字二维岩心进行了流体渗流过程模拟.基于以上的研究,为流体在多孔介质中渗流模拟提供了有效的方法.     

弹性固体和充满两种互不相溶粘性流体的多孔固体之间界面的反射和折射及其衰减波

在充满两种互不相溶粘性流体的多孔固体中,研究弹性波的传播.用3个数性的势函数描述3个纵波的传播,用1个矢性的势函数单独描述横波的传播.根据这些势函数,在不同的组合相中,定义出质点的位移.可以看出,可能存在3个纵波和1个横波.在一个弹性固体半空间与一个充满两种互不相溶粘性流体的多孔固体半空间之间,研究其界面上入射纵波和横波所引起的反射和折射现象.由于孔隙流体中有粘性,折射到多孔介质中的波,朝垂直界面方向偏离.将入射波引起的反射波和折射波的波幅比,作为非奇异的线性代数方程组计算.进一步通过这些波幅比,计算出各个被离散波在入射波能量中所占的份额.通过一个特殊的数值模型,计算出波幅比和能量比系数随入射角的变化.超过SV波的临界入射角,反射波P将不再出现.越过界面的能量守恒原理得到了验证.绘出了图形并对不同孔隙饱和度以及频率的变化,讨论它们对能量分配的影响.     

轴对称模型的Hagen-Poiseuille流的运动不稳定性

本文讨论流体通过圆管的运动不稳定性问题。作为流体运动所受的干扰波,我们考虑了一个非线性轴对称模型。它对应的相关振幅函数满足扩散方程,且由于复杂的分子运动和流体粘性的相互作用,当流体的雷诺数增大时其扩散系数会出现负值。如负扩散现象出现,在流体运动中出现的湍流段内会引起流体的能量集中,并扮演减少阻尼的角色。