动脉中血液脉动流的一种分析方法

动脉中的血液流动被分解为平衡状态(相当于平均压定常流状态)和叠加在平衡状态上的周期脉动流,利用Fung的血管应变能密度函数分析血管壁在平衡状态下的应力-应变关系,确定相对于平衡状态血管作微小变形所对应的周向弹性模量和轴向弹性模量,并建立在脉动压力作用下相应的管壁运动方程,与线性化Navier-Stokes方程联立,求得血液流动速度和血管壁位移的分析表达式,详细讨论血管壁周向和轴向弹性性质差异对脉博波、血液脉动流特性以及血管壁运动的影响.     

饱和纳米流体多孔介质中竖直嵌入板上边界层的非Newton流

在层流条件下,对饱和多孔介质中的竖直板,研究幂指数型非Newton流的自由对流热交换.非Newton纳米流体服从幂指数型的数学模型,模型综合考虑了Brown运动和热泳的影响.通过相似变换,将问题的偏微分控制方程组,转化为常微分方程组,得到了常微分方程组的数值解.数值解依赖于幂指数n,Lewis数Le,浮力比Nr,Brown运动参数Nb,以及热泳参数Nt.在n和Le的不同取值下,研究并讨论了对相关流体性质参数的影响和简化的Nusselt数.     

内窥镜中Walter B流体的蠕动流

研究内窥镜中Walter B流体的蠕动流,在圆柱坐标系中建立问题的模型,目的是研究内窥镜对Walter B流体蠕动流的影响.以delta为摄动参数,使用正规的摄动法求出解析解.利用数值积分,求得压力增量和摩擦力的近似解析解.用图形给出了Walter B流体所显现参数的影响.     

磁场和Hall电流对狭窄动脉中血液流动的影响

对一个水平向不对称、竖直向对称,带有轻微狭窄的动脉,提出了血液磁流体动力学流动的微极模型.为了估计狭窄形状的影响,几何上加以适当地考虑,通过选取不同的参数(称为形状参数),很方便地改变水平向的狭窄情况.在不同形状参数、Hartmann数和Hall参数下,计算了流动参数,例如流速、流动阻力(阻力阻抗)、狭窄区域血管壁面剪应力分布以及狭窄最大凸起高度位置处(狭窄喉部)的壁面剪应力大小.结果表明,流动阻力随着确定狭窄情况参数值和Hall参数值的增大而减小,并随着Hartmann数的增大而增大.对任意给定的Hartmann数和Hall参数,血管壁面剪应力和血管狭窄部位凸起最大高度处的管壁剪应力,具有与流动阻力相反的特征.最后,给出了Hartnmrm数和Hall参数对水平速度的影响.     

主动脉弓及分支血管内非稳态血流分析

运用流体力学中的三维非定常Navier-Stokes方程作为血液流动的控制方程,并采用计算流体力学方法对人体主动脉弓及分支血管内非Newton(牛顿)血液黏度模型下血流进行瞬态数值模拟.分析了一个心动周期内不同时刻血流动力学特征参数的分布对动脉粥样硬化斑块形成的影响,并与Newton血液黏度模型下的血管壁面压力和壁面切应力特征参数进行对比.结果表明:与Newton血液模型相比,非Newton血液模型下血流分布更符合真实血流特性;在心动收缩期,分支血管外侧壁附近存在面积较大的低速涡流区,该区域内血管壁面压力与壁面切应力具有较大的变化量,血液中的血小板、脂质和纤维蛋白等易沉积,血管内壁易疲劳损伤并发生血管重构,促使动脉粥样硬化斑块形成;而在心动舒张期,分支血管内血流速度分布均匀,血管壁面压力与壁面切应力变化量较小,血管壁受到较小的应力作用,对动脉粥样硬化斑块形成的作用较小.     

血液动力学中血管流激波与驻波的相互作用

血液动力学问题是生物力学心血管系统中的重要研究课题.血管内斑块处,血管截面和血管壁的材质发生变化,对血液流动产生重要影响.血液流动中基本波及其相互作用对探究血液流动的规律、生理学意义及与疾病的关系有着重要的意义.本文研究血液动力学血液流动简化数学模型的基本波的相互作用.血管流模型是3×3非严格双曲型方程组.构造性地得到了初值为三段常状态时,血管流问题的解,即解决了激波与驻波的相互作用问题.特别地,给出四种后前激波与驻波的相互作用的结果.     

壁面效应对剪切稀化流体内气泡上浮特性的影响

数值研究了壁面效应对剪切稀化流体内气泡上浮运动特性的影响,气液两相的界面捕捉采用流体体积(VOF)法,剪切稀化流体流变特性和气液相间表面张力的计算分别采用Carreau模型和连续表面张力模型.详细研究了不同流变指数下,壁面效应对气泡形状、液相流场和气泡终端速度的影响.结果表明,强的壁面效应或弱的剪切稀化程度会限制气泡的变形和尾涡的形成,使气泡的终端速度减小;气泡终端速度最易受壁面效应的影响;强的壁面效应和强的剪切稀化程度会导致高剪切速率区域出现在壁面附近,引起壁面附近液相表观黏度大幅度的下降.     

PH/M/1排队系统驱动的流模型

在流模型的研究中,传统的谱分析方法计算量极大,经常导致病态的数值结果.首先把PH/M/1排队系统的队长过程作为外部驱动环境,建立了一个新的流模型.其次,根据平衡条件给出流模型的稳态联合分布满足的矩阵微分方程,利用经典的Laplace变换(LT)方法给出稳态下缓冲器(库)的容量分布,进一步导出了稳态下的主要性能指标——平均缓冲器容量和空库概率的简洁表达式.最后,提出了数值例子展示了系统参数对性能指标的影响.     

转动与摆动复合运动下脂润滑关节轴承的数值分析

建立了球面轴承的三维润滑模型,该模型将内圈的转动运动、轴颈倾斜引起的内圈倾斜和内圈的摆动运动等因素纳入考虑,推导出球坐标下适用于非Newton(牛顿)流体润滑的Reynolds(雷诺)方程.应用该模型,并考虑使用润滑脂的Ostwald流变模型,对向心关节轴承的润滑问题进行了数值计算,研究了在不同的幂律指数、内圈倾斜角度和摆动角速度下,脂润滑膜的压力分布、最大压力、承载力和流量.结果表明:在合适的操作条件下,脂润滑能产生明显的流体动压效应;在其它参数不变时,幂律指数对脂润滑膜的最大压力和承载能力影响显著,相对于Newton流体,剪切稠化流体可提高润滑膜的最大压力和承载能力,并增加周向流量,而剪切稀化流体的影响效果则相反;内圈倾斜角度对脂润滑膜最大压力和承载能力的影响较小,内圈摆动角速度的影响则较为明显.     

动脉管壁切应力的确定

血管为了适应所处力学环境的变化会产生结构和功能的变化,血液流动作用于血管壁上的切应力在这种血管重建中起着重要的作用.目前直接测量活体血管壁切应力存在着许多技术上的困难.通过分析动脉中血液脉动流的特性,提出一种利用测量管轴上的血流速度,计算血管壁切应力的方法,为定量确定血管壁切应力,进而讨论血管壁切应力对血管重建的影响提供必要的手段.     

血液流动与血管壁运动

本文讨论了哺乳动物循环系统的血液流动与血管壁运动之间的相互作用问题.在假定流动处于稳定的振荡流动情况下,导得了一组血液流动速度分布公式,压力分布公式以及约束应力公式,管壁位移公式.把Kuchar的公式从定常流动情况推广到非定常的振荡流动情况.文中还讨论了动脉血管壁的弹性效应问题.     

小血管血流速度分布的一种计算方法

本文所提出的计算方法,其基础是对血液流动微连续统模型作了一种边界条件的改进,设想了血管内壁面上血细胞速度可能不为零.对于由Eringen所提出的关于刚性圆管中稳态血液流动方程,假设了血管内壁面上血细胞的旋转速度,及血细胞旋转速度分布曲线在管轴处的斜率,导出了计算血管中速度分布曲线的方法,并将按此理论计算而得的曲线与Bugliarello和Hayden在实验中测得的分布曲线及由Turk,Sylvester和Ariman所提出的计算公式的结果相比较.     

流固耦合作用下狭窄颈动脉内非Newton血流分析

采用计算流体力学方法分别对6种狭窄率的颈动脉内非Newton瞬态血流进行流固耦合数值分析.研究了狭窄率对颈动脉内血流动力学分布的影响,以探索狭窄率与颈动脉内粥样斑块形成的关系.结果表明,狭窄率不同的颈动脉内血流动力学分布特性明显不同,与0.05,0.1,0.2,0.3和04这5种狭窄率的颈动脉内血流动力学分布特性相比,狭窄率为0.5的颈动脉内血流动力学分布独特,狭窄部位附近区域存在面积较大的低速涡流区;复杂血流作用下,该区域分布低壁面压力,异常壁面切应力,较大管壁形变量和von Mises应力;血流速度低使血液中脂质、纤维蛋白等大分子易沉积,低壁面压力引起的明显“负压”效应引发脑部供血障碍,异常壁面切应力作用下粥样斑块易破裂与脱落,并堵塞脑血管,较大的von Mises应力易引起应力集中,导致血管破裂,为脑卒中发生提供有利条件.因此,狭窄率越大对颈动脉内血流动力学分布的影响越显著,促进颈动脉粥样斑块形成与发展,并引发缺血性脑卒中.     

A one dimensional model of blood flow through a curvilinear artery

We present a one-dimensional model describing the blood flow through a moderately curved and elastic blood vessel. We use an existing two dimensional model of the vessel wall along with Navier−Stokes equations to model the flow through the channel while taking factors, namely, surrounding muscle tissue and presence of external forces other than gravity into account. Our model is obtained via a dimension reduction procedure based on the assumption of thinness of the vessel relative to its length. Results of numerical simulations are presented to highlight the influence of different factors on the blood flow.     

T型分叉血管的定常/脉动流动和大分子传质

采用计算流体动力学方法,数值求解了T型分叉流动的定常/脉动流场和低密度脂蛋白(LDL)以及血清白蛋白(Albumin)的浓度分布。计算了雷诺数、主管和支管的流量比等参数对流场和大分子传质的影响,计算结果表明,流体动力学因素影响大分子的分布和跨壁渗透,在动脉硬化的发生和发展过程中起着重要的作用。在流动发生分离处,即支管入口外侧壁面剪应力变化最剧烈,这儿LDL和Albumin的壁面浓度变化也是最剧烈,是动脉硬化危险区。     

Non-Newtonian characteristics of peristaltic flow of blood in micro-vessels

Of concern in the paper is a generalized theoretical study of the non-Newtonian characteristics of peristaltic flow of blood through micro-vessels, e.g. arterioles. The vessel is considered to be of variable cross-section and blood to be a Herschel–Bulkley type of fluid. The progressive wave front of the peristaltic flow is supposed sinusoidal/straight section dominated (SSD) (expansion/contraction type); Reynolds number is considered to be small with reference to blood flow in the micro-circulatory system. The equations that govern the non-Newtonian peristaltic flow of blood are considered to be non-linear. The objective of the study has been to examine the effect of amplitude ratio, mean pressure gradient, yield stress and the power law index on the velocity distribution, wall shear stress, streamline pattern and trapping. It is observed that the numerical estimates for the aforesaid quantities in the case of peristaltic transport of blood in a channel are much different from those for flow in an axisymmetric vessel of circular cross-section. The study further shows that peristaltic pumping, flow velocity and wall shear stress are significantly altered due to the non-uniformity of the cross-sectional radius of blood vessels of the micro-circulatory system. Moreover, the magnitude of the amplitude ratio and the value of the fluid index are important parameters that affect the flow behaviour. Novel features of SSD wave propagation that affect the flow behaviour of blood have also been discussed.     

Dynamic response of pulsatile flow of blood in a stenosed tapered artery

The aim of this paper is to throw some light on the rheological study of pulsatile blood flow in a stenosed tapered arterial segment. Arterial wall is considered to be rigid and flexible separately for improving the similarity to the in vivo situation. The streaming blood is considered to be Newtonian. The governing nonlinear equations of motion are sought using the well‐known stream function‐vorticity method and are solved numerically by finite difference technique. Important rheological parameters, such as axial velocity component, wall shear stress, and flow separation region are estimated in the neighborhood of the stenosis. Effects of stenosis height, vessel tapering, and wall flexibility on the blood flow are investigated properly and are explained in detail through their graphical representations.     

Numerical Modeling of Fluid-Structure Interaction of Blood in a Vein by Simulating Conservation of Mass and Linear Momentum with the Finite Element Method in FEniCS

In medicine a fundamental understanding for blood flow in human arteries is significantly important. In socalled hemodynamics engineers all over the world simulate blood flows in healthy and diseased vessels. Scientific findings in this area help to improve cardiovascular assisting devices and to plan surgical operations. The difficulty with such simulations is the interaction of the blood flow with the elastic vessel wall, which deforms due to changing flow conditions. We will present a two-dimensional model for blood flowing through an arterial vessel and investigate the balance of mass and the balance of linear momentum. We will adjust these balance equations appropriately and define time dependent boundary conditions. The necessary partial differential equations for the fluid-structure interaction will be solved by using the finite element method in FEniCS [1]. (© 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)