Taylor补丁对新型动脉旁路移植流场影响的数值分析

为了研究Taylor补丁对新型(S型)动脉旁路移植术中吻合口处流场的影响,使用数值方法研究了采用Taylor补丁和未采用该补丁的两个S型旁路移植模型内流场的血流动力学差异. 对流速、壁面切应力和切应力梯度等参数进行了比较分析. 结果表明,Taylor补丁对吻合口的流场有显著影响. 采用Taylor补丁的模型其下游吻合口处的流场分布较未采用补丁的模型更均匀,二次流平均流速减小约34.48%,壁面切应力梯度减小约52.22%,从壁面切应力梯度方面分析,这将有助于改善血流动力学分布,抑制动脉粥样硬化. 但从壁面切应力值分析,其动脉底部的壁面低切应力区明显增大,平均壁面切应力值减小30.33%,这又将促使动脉粥样硬化. 因此,Taylor补丁是否对S型搭桥术具有治疗优越性,仅从血流动力学分析尚不能定论,配合数值计算结果进行动物和临床实验研究是十分必要的.      

血流动力学数值模拟与动脉粥样硬化研究进展

血流动力学因素被认为与动脉粥样硬化等病理改变密切相关。目前血流动力学数值模拟的对象,主要集中于分支动脉、弯曲动脉以及因血管内膜增生而导致的局部狭窄动脉,这些都是动脉粥样硬化多发的病灶部位。精确的血流动力学数值模拟,必须依赖于解剖精确的血管几何模型和生理真实的血流与管壁有限变形的非线性瞬态流－固耦合。只有在“虚拟血液流动”的基础上,综合考虑血管内的壁面剪应力、粒子滞留时间和氧气的跨血管壁传输等多种因素,血流动力学的数值模拟才能真正有助于人们理解动脉粥样硬化的血流动力学机理,才有可能应用于有关动脉疾病的外科手术规划中。      

脑Willis环的一维血流动力学及氧输运特性的数值研究

Willis环是大脑侧枝循环的重要组成部分, 研究其血流动力学特性以及氧输运规律对脑缺血疾病的认知和预防有着非常重要的作用. 该文旨在利用一维血流动力学模型模拟整个Willis环的流量变化和压力分布, 并建立动脉内氧输运的一维模型以模拟Willis 环内氧分压的变化规律, 为研究脑组织内血液流动和氧输运打下基础. 首先, 基于弹性圆管内的一维非线性流动方程和状态方程建立血流动力学模型, 在一维对流扩散方程的基础上, 考虑由管腔向壁面的扩散和壁面细胞的新陈代谢消耗推导出氧输运特性方程. 通过 Lax-Wendroff两步法对血流动力学方程进行离散, 而在进行对流扩散方程的离散时, 则运用迎风格式. 通过数值计算得到了正常情况下Willis环各个血管任意位置的流量、压力和氧分压的变化曲线, 正常情况下各个位置的氧分压处于稳定的平衡状态. 最后, 还通过此模型进一步模拟了右侧颈内动脉狭窄对各个血管内流动的影响. 当狭窄程度达到80%时, 中脑动脉的流量和压力会明显下降, 造成其供应区域的血流减少. 同时, Willis环右侧血管内的氧分压会大大降低, 而左侧血管的氧分压会出现上升趋势, 但幅度要小于右侧血管降低的幅度.     

主动脉瓣倾斜角度血流动力学的 PIV 实验研究

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明:当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.      

PIV EXPERIMENTAL STUDY ON THE HEMODYNAMICS OF AORTIC VALVE UNDER VARIED TILTED ANGLES 1)

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明：当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.     

不同心排出量下主动脉瓣血流动力学的PIV实验研究

主动脉瓣发生病变时导致心排出量(cardiac output, CO)减少,而心排出量减少与主动脉瓣血流动力学耦合作用, 引发瓣膜继发性疾病.本文基于医学影像数据三维重构带有冠状动脉的主动脉根部,制备高度光滑和透明的主动脉根部实验模型, 构建体外脉动循环模拟系统,利用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)研究冠状动脉存在时心排出量对主动脉瓣速度分布、黏性剪应力(viscous shear stress, VSS)和雷诺剪应力(Reynolds shear stress, RSS)等血流动力学的影响.研究结果表明: 冠状动脉的存在改变了主动脉窦中的涡旋运动和涡度,冠状动脉存在时流体经由冠状动脉流出, 主动脉窦中的涡旋运动逐渐消失,涡度较早开始减小. 峰值期, 中心对称流动两侧区域存在正、负高黏性剪切区域,存在冠状动脉一侧的升主动脉下游存在高雷诺剪应力区域.心排出量显著影响主动脉瓣的速度分布、VSS和RSS等血液流动和受力状况.随着心排出量增大, 冠状动脉存在时峰值期的最大速度、VSS和RSS增大, 即$CO=2.1$, 2.8, 3.5和4.2 l/min时, 最大速度分别为0.98, 1.13, 1.21和1.37 m/s, 最大VSS分别为0.87, 0.95, 0.96和1.02 N/m$^{2}$, 最大RSS分别为103.76, 116.25, 138.68和146.55 N/m$^{2}$. 心排出量较低时,主动脉瓣较低的跨瓣流动速度和黏性剪应力易导致血栓形成,研究结果可为主动脉瓣置换术提供理论参考.      

循环呼吸模式口喉模型内气流运动特性数值模拟

应用计算流体动力学方法对人体在循环呼吸模式下口喉模型内的气流运动特性进行数值模拟,分析了循环呼吸模式下口喉模型内的气流组织形式以及气流运动对呼吸道壁面以及气溶胶运动沉积的影响. 吸气阶段,在咽部外壁和声门下游气管上部外壁气流发生分离,形成分离区. 呼气阶段,分别在咽部外壁和喉部外壁形成高速区. 循环呼吸模式下,咽部、喉部与气管内的高轴向速度区和二次涡流运动均是在呼吸过程中间歇性的产生,形成的高剪应力区也是间歇性的. 壁面受到的剪应力周期性地改变方向,引起壁面劳损和组织损伤的可能性增大,同时在这些部位容易造成气溶胶的沉积.      

基于颗粒离散元的沙纹演变大涡模拟研究

应用大涡模拟、"点球" 浸入边界法和基于"事件驱动" 模型和"弹簧-阻尼" 模型的颗粒离散元法, 数值模拟了明渠湍流中沙纹的演变. 通过对不同谢尔兹数下无沙纹床面的推移质输沙率进行计算, 并与经典输沙率公式进行对比, 验证了模型的精度和可靠性. 随后, 对明渠湍流中沙纹床面的演变过程进行了数值模拟, 计算了有沙纹床面的推移质输沙率、沙纹长度和高度、等效床面高度的最大值、最小值和平均值、沙纹形状阻力、体积流速随时间的变化曲线. 研究发现:初始平整的床面在较短的时间内(tU_b=h≈100) 发展出数条沙纹, 随后沙纹逐渐发展, 在tU_b=h为1 600~2 000 时, 沙纹发生合并. 在沙纹数量不变的条件下, 沙纹高度随时间近似呈线性增长, 而沙纹的长度的平均值却保持恒定. 随着沙纹高度的增大, 输沙率和体积流速逐渐降低, 沙纹形状阻力则逐渐增大;当沙纹发生合并时, 沙纹高度快速增加, 输沙率、体积流速和沙纹形状阻力也出现了大幅跳跃. 在同等的水流强度条件下, 有沙纹床面的输沙率小于平整床面的输沙率.      

T型分支管道对油气爆炸压力的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气爆炸压力的影响,进行了不同初始油气体积分数、不同初始点火能工况下多参数对比实验,并对火焰传播进行了可视化研究。实验结果表明:T型分支管道对油气爆炸压力有强化作用,强化程度和初始油气体积分数关系密切,在当量比附近,强化程度表现最显著;初始点火能对油气爆炸最大超压影响显著,随着点火能的增大,最大爆炸超压呈线性增长;波的绕射和反射、流场湍流度增强、管道通道面积增大和障碍物扰动是导致T型分支管道内爆炸压力增强的主要因素;T型分支管道会导致火焰阵面严重地弯曲褶皱变形,增大火焰面积,并且回传火焰对T型分支结构壁面具有较强的破坏作用。     

煤液化高压差调节阀空蚀/冲蚀磨损预测

针对煤液化示范工程中高压差调节阀高速气-液-粒三相流传输引起的阀芯严重空蚀和冲蚀磨损问题,采用k-ε湍流模型、Schnerr-Saur空化模型、随机轨道模型和冲蚀磨损模型,计算了典型开度下的速度、压力、相分率和磨损率等参数.计算结果表明:阀芯头部圆弧段下游附近有空化区,其顶部附近存在高速回流且压力高于介质的饱和蒸气压,综合分析空化区、回流区和壁面压力可预测空蚀主要发生在阀芯顶部;阀芯的最大冲蚀磨损率发生在顶部,且随开度减小而加剧.并结合调节阀实际损伤形貌,验证了空蚀预测方法及冲蚀磨损计算的正确性.本研究有望为多相介质传输设备的优化设计提供参考.     

窦部对称狭窄对颈动脉内流场影响的数值研究

以颈动脉分岔血管为例，采用数值方法研究了窦部环缩狭窄之后的流场分布情况，并和正 常血管情况下的流场分布进行了比较. 结果表明，采用环缩方式给颈动脉分岔血管施加对称 的狭窄改变了颈动脉窦内流场，特别是壁面剪应力的分布规律. 低剪应力区出现在狭窄段之 后的窦内，并且沿整个周向均匀分布. 根据低剪应力和动脉粥样硬化的关系，指出： 若人为地给颈动脉窦内施加对称狭窄，则脂质沉积将在狭窄下游的窦内沿周向轴对称 发展. 为了更真实地反映颈动脉窦内的狭窄，建议根据动脉血管中的实际狭窄情况，采用非 对称的狭窄分布模式.     

Emeritus Professor Shan-Fu Shen,Cornell University

A numerical analysis of blood flow in a rigid artery has been performed to observe the variations in flow pattern and haemodynamic parameters under the influence of multiple (double) stenoses. The interspacing distance, degree of stenotic severity and Reynolds number of flow have been varied. It is found that two stenoses interact when the interspacing distance is lower than a critical value that corresponds to the redevelopment length of fully developed flow after the proximal stenosis. In the case of non-interacting stenoses the haemodynamic parameters, like the peak centreline velocity (representing the peak systolic velocity ratio in medical term), the maximum wall shear stress, region of low shear stress and the irrecoverable pressure drop at the stenosis site, repeat themselves at each individual stenosis. However, when the stenoses interact hydrodynamically because of their proximity, the parameters behave differently, which can lead to a different haemodynamic profile in the arteries and pose difficulties in their pathological interpretation. This work evaluates the influence of double stenoses on the variations in the key haemodynamic features under different degree of stenoses and interspacing distance between the stenoses.     

磁场和Hall电流对狭窄动脉中血液流动的影响

A micropolar model for blood simulating magnetohydrodynamic flow through a horizontally nonsymmetric but vertically symmetric artery with a mild stenosis is presented. To estimate the effect of the stenosis shape, a suitable geometry has been considered such that the horizontal shape of the stenosis can easily be changed just by varying a parameter referred to as the shape parameter. Flow parameters, such as velocity, the resistance to flow （the resistance impedance）, the wall shear stress distribution in the stenotic region, and its magnitude at the maximum height of the stenosis （stenosis throat）, have been computed for different shape parameters, the Hartmann number and the Hall parameter. This shows that the resistance to flow decreases with the increasing values of the parameter determining the stenosis shape and the Hail parameter, while it increases with the increasing Hartmann number. The wall shear stress and the shearing stress on the wall at the maximum height of the stenosis possess an inverse characteristic to the resistance to flow with respect to any given value of the Hartmann number and the Hall parameter. Finally, the effect of the Hartmann number and the Hall parameter on the horizontal velocity is examined.     

局部狭窄血管中血液振荡流的速度和切应力

本文建立一种分析局部缓慢狭窄血管中血液振荡流的数学模型，给出了血液的轴向流速，径向流速和切应力的包含压力梯度项的解析表达式，并讨论了血管内由局部狭窄引起的压力梯度沿轴向变化的规律。文章以局部余弦狭窄为例进行数值计算，详细讨论上游均匀管段压力梯度的定常部分和不同次谐波对狭窄管段内流速和切应力的影响。数值结果表明，与均匀管情况相比，在狭窄段内，血液振荡流轴向流速无论平均值还是脉动幅值均明显增大，且径向流速不再为零。但径向流速仍远小于轴向流速。同时，切应力也不再仅由轴向流速梯度提供，径向流速梯度也将产生切应力，但是在计算管壁切向上的切应力时，径向流速梯度的贡献仍相当大。与均匀管管壁切应力沿流运方向保持恒定不同。狭窄管管壁切应力（平均值和脉动值）将随着狭窄高度的增大而增大，在狭窄最大高度处达到最大，因而沿流动方向产生了较大的切应力梯度。     

动脉分岔血管内膜增生过程的数值模拟

内膜增生从发生到阻塞血管是一个复杂的变化过程,在这个过程中,内膜的增生、血管腔体形状的改变和血流动力学之间是相互影响的。为了研究这些变化,本文提出一种单元填充方法数值模拟了三维颈动脉分岔血管在低切应力作用下血管内膜增生的过程。该方法既可以克服节点移动方法所不可避免的内膜增生的不连续性,也可以避免网格重划分的困难。结果发现,如果单纯以切应力阈值作为内膜增生的判据,低切应力的作用将无法导致血管完全阻塞,但内膜增生和血流动力学之间的相互影响是可以通过数值方法进行模拟的。在本数值模拟中,内膜增生的过程分为"增厚"(先)和"扩展"(后)两个阶段,最大狭窄率为34.4%,发生在距血管分岔5mm处动脉窦的外侧壁面。其发生位置和形状与临床观察吻合。     

An unsteady analysis of non-Newtonian blood flow through tapered arteries with a stenosis

The problem of non-Newtonian and nonlinear blood flow through a stenosed artery is solved numerically where the non-Newtonian rheology of the flowing blood is characterised by the generalised Power-law model. An improved shape of the time-variant stenosis present in the tapered arterial lumen is given mathematically in order to update resemblance to the in vivo situation. The vascular wall deformability is taken to be elastic (moving wall), however a comparison has been made with nonlinear visco-elastic wall motion. Finite difference scheme has been used to solve the unsteady nonlinear Navier-Stokes equations in cylindrical coordinates system governing flow assuming axial symmetry under laminar flow condition so that the problem effectively becomes two-dimensional. The present analytical treatment bears the potential to calculate the rate of flow, the resistive impedance and the wall shear stress with minor significance of computational complexity by exploiting the appropriate physically realistic prescribed conditions. The model is also employed to study the effects of the taper angle, wall deformation, severity of the stenosis within its fixed length, steeper stenosis of the same severity, nonlinearity and non-Newtonian rheology of the flowing blood on the flow field. An extensive quantitative analysis is performed through numerical computations of the desired quantities having physiological relevance through their graphical representations so as to validate the applicability of the present model.     

Magnetic field effect on heat transfer and fluid flow characteristics of blood flow in multi-stenosis arteries

Heat and fluid flow characteristics of blood flow in multi-stenosis arteries in the presence of magnetic field is considered. A mathematical model of the multi-stenosis inside the arteries is introduced. A finite difference scheme is used to solve the governing equations in terms of vorticity-stream function along with their boundary conditions. The effect of magnetic field and the degree of stenosis on wall shear stress and Nusselt number is investigated. It was found that magnetic field modifies the flow patterns and increases the heat transfer rate. The severity of the stenosis affects the wall shear stress characteristics significantly. The magnetic field torque will increase the thermal boundary layer thickness and the temperature gradient in the streaming blood, and hence increasing the local Nusselt number     

HEMODYNAMIC CHANGES OF THE LEFT CORONARY ARTERY DURING PERCUTANEOUS CORONARY WEI Chijun*, QIU Yue*, FAN Yubo†, PENG Liqing**, ZHENG Tinghui*,2)*

经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention, PCI)是检查和治疗冠心病的常用手段,冠状动脉支架植入过程中可能引发急性血栓的发生。本文通过血流动力学计算探究PCI支架植入手术过程对急性血栓形成的影响。根据真实的冠状动脉计算机断层扫描影像进行建模,在脉动生理血流条件下模拟该手术过程中导丝介入的5个阶段,获得各项血流动力学参数。计算结果表明,导丝介入过程会导致冠状动脉内各项血流动力学参数发生改变,即冠状动脉内血流出现偏心现象,时均壁面剪切力升高,振荡剪切指数下降,粒子相对停留时间降低,横向壁面剪切应力小幅上升,使得血管的内皮细胞暴露在高壁面剪切力的环境下。虽然较短的相对粒子 停留时间、 较小的振荡剪切指数对急性血栓的形成具有阻碍作用,但高时均壁面剪切力与血流偏心对急性血栓形成的诱导作用可能更加明显。