支架网孔率对颅内动脉瘤模型血液动力学数值模拟的研究

在定常流动情况下,对金属裸支架植入脑动脉瘤后的模型进行血液流动的模拟,探讨支架网孔率参数影响脑动脉瘤治疗的血液动力学因素.用建立真实的三维动脉瘤模型,植入网孔率分别为82％、73％、64％的三种支架;并进行计算,得到有支架和无支架动脉瘤腔内血流速度、血管内压强与壁面切应力分布情况.结果:动脉瘤内血液速度与壁面切应力随着网孔率的降低而变小.植入支架后的三个模型瘤内压强与没有支架的动脉瘤内压强相差不大.说明低网孔率支架能有效隔离颅内动脉瘤,降低血液在瘤内的流动,从而防止颅内动脉瘤破裂.     

支架网孔率影响颅内动脉瘤模型血液动力学数值模拟的研究

在定常流动情况下,对金属裸支架植入脑动脉瘤后的模型进行血液流动的模拟,探讨支架网孔率参数影响脑动脉瘤治疗的血液动力学因素。用建立真实的三维动脉瘤模型,植入网孔率分别为82%、73%、64%的三种支架;并进行计算,得到有支架和无支架动脉瘤腔内血流速度、血管内压强与壁面切应力分布情况。结果:动脉瘤内血液速度与壁面切应力随着网孔率的降低而变小。植入支架后的三个模型瘤内压强与没有支架的动脉瘤内压强相差不大。说明低网孔率支架能有效隔离颅内动脉瘤,降低血液在瘤内的流动,从而防止颅内动脉瘤破裂。     

基于两相流欧拉方法的中空纤维管血流动力学数值模拟

对人工肝中空纤维管内血液两相流动进行了三维数值模拟,研究了中空纤维管内血流速度分布、红细胞径向体积分数分布、黏度分布以及壁面条件对红细胞体积分数分布的影响.结果表明,红细胞在轴心附近处黏度高,在壁面处黏度低;红细胞流速略大于血浆流速;红细胞沿径向体积分数分布呈双峰状,随各截面与入口距离增加,邻近壁面处的红细胞体积分数逐渐减小,壁面处的红细胞体积分数逐渐增大;不同壁面条件下,壁面处的红细胞体积分数随所受升力减小而增大,远离壁面运动趋势减弱.     

微通道内流的微尺度粒子图像测速技术实验研究

采用微流动粒子图像测速技术Micro-PIV对0.4~0.8 mm的方形截面微通道流场进行了研究.实验选取3μm的荧光染色微球作为示踪粒子,使用532 nm激光、12位灰阶电荷耦合器件(CCD)相机及10倍显微物镜得到粒子图像.通过背景噪声处理技术提高了图像信噪比,并采用系综相关及回归算法得到了微通道截面的速度分布,测量的空间分辨率达到23.68μm×23.68μm×15.64μm.为了消除壁面随机粗糙分布的影响,采用沿流向进行空间平均方法得到了充分发展的方形截面微通道速度分布.将测量结果与方形截面理论幂函数速度廓线进行比较发现:微通道近壁区流场受到扰动的强弱和流道尺寸直接相关,除近壁区外的大部分区域速度分布与矩形截面流道理论速度分布符合良好.     

冠脉支架的多功能体外力学性能测试装置及实验研究

针对开发优良力学性能冠脉血管支架的测试需求,研究开发了一套基于机器视觉技术的多功能血管支架力学性能测试装置,并应用所研制的测试装置对自主研发的薄壁微管雕刻316L不锈钢冠脉支架介入过程中的柔顺性、径向支撑力以及支架植入后脉动流环境下的血流动力学特性等多项力学性能进行测试.测试结果表明:该支架具有良好的输送性能;其径向支撑力为180kPa;该支架植入后降低了支架段血管内壁的壁面剪应力,特别是支架近前端和近后端处为低剪应力区,易导致内膜增生而出现再狭窄.测试过程表明,该测试装置满足冠脉支架的多种力学性能测试需求.     

压力能驱动的自搅拌反应器流动特性数值模拟

提出了一种新型自搅拌管式反应器,并采用数值模拟方法对新型自搅拌溶出反应器内的流体流动特性进行了研究.在搅拌转速不变的情况下,研究了不同入口流速对反应器内部流体流动的影响.结果表明:不同流速下,反应器内部轴向流速整体分布均匀,但反应器入口和出口的流体,由于受到扰动作用速度偏大,且靠近出口的流速低于入口附近流速.径向靠近壁面处速度稍大,靠近搅拌轴处速度略小,说明搅拌桨叶端部对流体作用更大.入口流速为8.3 m/s时,更利于反应器内环流的形成.     

微纳尺度下Couette流动的分子动力学模拟

为了研究微纳尺度下流体密度、壁面剪切速度以及不同材料的壁面对流体流动特性的影响,采用分子动力学方法对流体在微纳尺度下的Couette流动进行模拟。研究结果表明:随着流体密度增加流体与壁面作用力增大,壁面对近壁流体的束缚也增强,近壁面处流体粒子自由运动减弱导致流体扩散能力下降,同时流体等效黏度随密度增加而增大,滑移量减小;壁面剪切速度增大,导致近壁面处流体粒子数减少,流体等效黏度降低,流体粒子在通道中更容易进行无规则自由运动使其扩散能力增强;通过改变壁面材料,发现金属壁面作用力强于非金属,在金属材料近壁面处更容易吸附较多流体粒子,导致金属壁面附近流体等效黏度较大,滑移量相对较小。     

基于剪切稀化效应的血液流体-扩张血管耦合模型的血管损伤分析

在考虑血液流体的剪切稀化效应的前提下,分析了人体血管支架、狭窄血管和血液的耦合作用,以及血管支架介入对血管损伤的影响,构建了S型与N型血管支架耦合系统的动力学模型,采用血管的斑块峰值应力、血管壁面的峰值切应力及峰值等效应力等参数来评价斑块易脆性和血管再狭窄等血管的损伤性能.结果表明,与S型支架相比,N型支架的血管斑块峰值应力、血管壁面峰值切应力及其峰值等效应力均较低,能够降低斑块脆性断裂的风险;在N型支架的血管扩张区域的低壁面切应力区域较小且通流截面较大,从而降低了血管再狭窄的发生概率.     

粗糙微通道内稀薄气体流动与换热的蒙特卡洛直接模拟

采用Delaunay三角化方法对计算区域进行网格划分,开发了适合于非结构化网格的蒙特卡洛直接模拟程序,并对程序的正确性进行了验证.在此基础上模拟分析了粗糙元为三角形的平行平板间微通道内稀薄气体的二维流动与换热.通道进出口压力固定,上下平板温度恒定.计算分析了粗糙元高度、宽度以及分布密度的影响.结果表明:微通道内粗糙元对流动与换热有明显的扰动;随着粗糙元的变大,速度跳跃显著,甚至出现漩涡,增加了通道内的压力损失;但粗糙元增强了微通道壁面与气体之间的换热.     

弯曲动脉血管中血液流动对血栓形成的影响

血栓性疾病大多发生在弯曲和血管分叉的位置附近,其形成机制和原因比较复杂,目前的研究主要集中在临床病例的治疗护理方面.临床观测表明,动脉疾病的发病机制和病变发展与血流动力学特征(如流场分布、壁面剪应力等)密切相关.采用计算流体力学方法,从血流动力学角度研究了弯曲血管中血液流动的改变对血管栓塞形成的影响.主要从血流入口初始速度、弯曲曲率半径、血管管径及血液黏度方面研究血液流动对血栓形成的影响.同时结合相关医学病例.从多学科角度分析并验证医学研究中有关血管弯曲对血栓形成机理的猜测.     

兔腹主动脉狭窄血流动力学模型参数

目的:研究两种动脉狭窄模型下血管血流动力学参数,为临床评估动脉狭窄恶化程度提供参考.方法:根据动脉狭窄影像学的特点用计算机辅助设计技术(CAD)建立两种不同狭窄模型,采用计算流体力学(CFD)方法,在周期性脉动速度入流,刚性壁面及血液为牛顿流体的条件下,对一个心动周期内狭窄部位的流场进行数值模拟分析研究.结果和结论:动脉狭窄处近心端血流速度变大,剪切力变大,容易使狭窄处出现血栓,远心端血流速度降低,剪切力降低更容易加速狭窄的发展.     

不同周期壁面局部微振动诱导边界层大涡结构

以平板边界层流动的Blasius解作为基本流场,利用直接数值模拟方法求解三维不可压缩N-S方程,研究了边界层中单个周期壁面局部微振动诱导大涡结构的过程.计算结果表明:壁面扰动完成时,周期为7.5,10和12.5诱导大涡结构的初始扰动速度与空间分布稍有差异.若周期为12.5,随着时间的增加,诱导形成的大涡结构扰动速度幅值不断增加,高低速条纹结构面积不断扩大;边界层近壁流向速度剖面存在较大拐点,雷诺应力明显大于周期为7.5和10的大涡结构.周期为7.5和10的诱导大涡结构较弱.壁面局部微振动可诱导边界层形成大涡结构,演化特性与局部微振动周期密切相关,周期越长,大涡结构强度也越大.     

基于计算流体力学的血液和血栓通过静脉瓣时流动分析

静脉瓣存在于静脉血管中,其主要功能是防止血液逆流.结合血栓形成的要素,预测静脉中易于形成血栓的位置,并且研究血栓对静脉瓣的影响.利用计算流体力学(CFD)Fluent 19.0软件,建立静脉血管模型,在静脉瓣不同张开程度、血液不同来流速度和血液不同黏度下进行研究.得出静脉瓣窦区域中的血流会生成漩涡,并且窦区域为血流低速区和低剪切力区,静脉瓣张开程度增加、血液来流速度下降和血液黏度增加都会使静脉中低速区的血流速度更缓慢.血栓通过静脉瓣时,静脉瓣张开程度减小、血液来流速度增加以及血液黏度增加,都会使得血栓对瓣膜的剪切力增大.结果表明,在血液低流速、高黏度的状态下,窦区域的血流环境可能会导致血栓的形成.血栓会对静脉瓣造成一定的损伤,并且损伤程度随着静脉瓣张开程度的减小、血液来流速度的增加和血液黏度的增加而增加.     

竖流式沉淀池内流动与污泥沉积特性模拟

竖流式沉淀池内的流动特性和泥水分布规律是结构、工艺设计的关键,然而其内部的流场难以通过常规的实验手段获得,且物理模型花费较大.因此建立了竖流式沉淀池内泥水分离的混合物模型,应用计算机流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对其流场和浓度场进行三维数值模拟.竖流式沉淀池内存在流动漩涡,造成靠近进水管外侧和沉降筒体内侧的流速相对较高.在高度z=2m处的沉降筒体中部流场较好,是泥水重要的沉降分离区域.随着入口流速的增大,沉淀池内受到的扰动增大,导致处理效果变差,当流速从0.01 m/s增加到0.03 m/s的过程中,水出口的污泥去除率从96.35％下降到89.17％.大粒径的污泥颗粒在泥斗中产生了更好的沉积效果,当污泥粒径从50μm增加到200μm的过程中,污泥去除率从31.93％升高到99.92％.由此可知,采用数值模拟方法能够很好的计算得到不同工艺参数下沉淀池内的泥水分布情况和流场规律,从而为工程设计提供参数依据.     

肺动脉局部狭窄对血液流动的影响

采用临床检查的CT影像资料建立肺动脉物理模型,应用计算流体力学的方法,对5种不同程度肺动脉狭窄情况下的血液流动进行数值模拟。结果表明:随着肺动脉的狭窄程度加剧,狭窄部位的截面面积减小,其中心流速越来越大;近壁面低速流线越来越少,说明边界层变薄;窄后部位出现回流现象,且越来越剧烈;窄前压力逐渐升高,窄后压力逐渐降低,狭窄前后的压差单调增加;壁面剪切力较大的区域增大,狭窄处的剪切力单调增大。因此,肺动脉狭窄对血液流动状态及相关血液动力学参数产生了重要的影响。     

铀矿山下垫面粗糙度对大气风场影响的数值模拟研究

以某实际铀矿山为对象,运用CFD方法,基于N-S方程建立三维大气风场的物理模型,研究三种下垫面粗糙度下（z=0.1 m,z=0.5 m,z=1.0 m）的大气风场结构.结果显示,随着粗糙度增大,近地面风场速度变化达到19%;随着高度上升,大约在200 m后,粗糙度影响减弱,风场等值线趋于平稳;风场流速越大,近壁面处粗糙度对风场的阻碍作用越明显.在粗糙度较大（z≥0.5 m）情况下,可适当通过提高污染物排放高度来加强大气的输运能力,以缓解局部地区的污染。     

聚氨酯/ 羧甲基壳聚糖/壳聚糖) n 复合涂层血液相容性

在心血管支架表面构建仿生细胞外基质结构的涂层是提高支架生物相容性的有效方法.结合静电纺丝及静电自组装技术,在316L医用不锈钢基底上制备出网状聚氨酯/(羧甲基壳聚糖/壳聚糖)n复合涂层.血小板黏附实验表明,对于网状聚氨酯涂层,血小板较易黏附在直径小于1μm的纤维上,在直径大于1μm的纤维上几乎无血小板黏附;而聚氨酯/(羧甲基壳聚糖/壳聚糖)n复合涂层的血小板黏附数量明显下降,血液相容性得到改善.     

肺动脉局部狭窄对血液流动的影响

采用临床检查的CT影像资料建立肺动脉物理模型,应用计算流体力学的方法,对5种不同程度肺动脉狭窄情况下的血液流动进行数值模拟。结果表明:随着肺动脉的狭窄程度加剧,狭窄部位的截面面积减小,其中心流速越来越大;近壁面低速流线越来越少,说明边界层变薄;窄后部位出现回流现象,且越来越剧烈;窄前压力逐渐升高,窄后压力逐渐降低,狭窄前后的压差单调增加;壁面剪切力较大的区域增大,狭窄处的剪切力单调增大。因此,肺动脉狭窄对血液流动状态及相关血液动力学参数产生了重要的影响。     

伴行血管在高强度聚焦超声下对温度场的影响

在高强度聚焦超声(HIFU)下，研究了管径不同的伴行血管对于组织温度分布的影响．基于3个热平衡方程提出了1个生物热传导模型，针对带有直径为50～300μm成对血管的组织，利用有限元方法进行了3-D温度瞬态仿真，并对血管直径、血液流速和血液灌流率对3-D温度分布的影响进行了比较．结果表明，血管直径和血流速度是影响HIFU作用下组织温度分布的决定因素，此外，该模型可以给出较为准确的组织消融量．     

微通道内流流场的数值模拟及Micro-PIV测量

采用数值模拟与实验研究方法对直管微通道内流流场进行了详细研究.实验测量借助Micro-PIV技术,采用3μm荧光示踪粒子、10倍显微物镜和14位灰阶CCD相机获取微尺度流场速度分布.利用Fluent数值计算软件,将微尺度通道壁面粗糙元抽象为多孔介质模型,采用realizable k-ε两方程模型,对边长为600μm和800μm的方形断面微尺度直通道分别在Re=100和Re=300条件下进行数值模拟,模拟结果与同工况下Micro-PIV实验测量结果进行对比,结果表明基于多孔介质模拟壁面粗糙元的realizable k-ε两方程模型能够良好地模拟微尺度管流流动,并且获得了多孔介质厚度采用微尺度通道的相对粗糙度折算,多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数由多孔介质区域内的流态及阻力计算的方法.