模拟口腔环境下粘性流体的滑移行为研究
发布时间：2021-09-21 22:29
随着社会人口老龄化程度的加深与各种疾病的多发,吞咽障碍已然成为影响患者生活质量的常见疾病。而吞咽障碍的发生也将直接影响着患者的吞咽能力,故易于吞咽的粘性流体将为吞咽障碍患者饮食提供一种较好的选择。深入开展口腔环境下粘性流体的滑移行为研究,将对吞咽障碍患者在功能食品方面的研发提供理论依据和技术支撑。首先,建立舌/上颚微间隙下的挤压模型及Reynolds方程,通过数值方法获取流量变化;在DHR-2流变仪上研究非牛顿流体的粘度与剪切速率的变化,探讨牛顿流体和非牛顿流体流量的影响因素。发现牛顿流体流量平方的倒数同载荷和粘度比值和时间均呈线性函数关系;所制备的非牛顿流体近似为幂律流体,其粘度随脂肪和蛋白质含量的增加而增大,而非牛顿流体流量率先高于后低于等效牛顿流体,合理搭配饮食中脂肪与蛋白质含量能够降低进餐时呛咳风险。其次,建立舌/上颚微间隙下的滑移模型;根据患者吞咽障碍严重程度划分吞咽障碍等级对应的工况参数,通过有限元方法研究流体压力分布及摩擦系数的变化,并探讨其影响因素。发现流体从舌中心沿滑移方向压力呈先升高后降低的变化,沿垂直于滑移方向压力呈先平缓后急剧降低的变化;随着吞咽障碍等级的升高（...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Nicosia和Robbins提出的舌/上颚流体模型[10-11]
江南大学硕士学位论文2数值计算方法来探讨流体粘度和流体密度与吞咽时间的关系，发现当流体粘度极小时，吞咽时间取决于流体密度，其余情况下吞咽时间取决于流体粘度。该模型具有较好的应用价值，因而Nicosia[11]后来再次运用该模型对剪切速率的影响进行了进一步的研究。图1-1Nicosia和Robbins提出的舌/上颚流体模型[10-11]而Nicosia等采用的平行板挤压流体模型的理论模型早在20世纪70年代已有提出并得到牛顿流体运动近似解[12]，后研究人员运用四阶龙格-库塔方法及同伦扰动法得出更为精确的解，并进一步得出Reynolds数对速度分布和压力变化的影响[13-15]。除了对上述流体为牛顿流体下的求解外，徐春晖等[16-19]对二阶流体、宾汉流体及幂律流体下的求解也有取得了一定的理论成果。有限元模拟在口腔吞咽时流体的流动行为研究中也起到了一定的推动作用。Meng等[20]采用计算流体力学（CFD）来模拟牛顿流体与非牛顿流体在咽部的运输，并证明流体的流变特性会影响流体食物在咽部运输，通过该模型同时也能预测流体属性对吞咽过程的影响。为模拟口腔环境的结构，Mathmann等[21]选取四位成年人（男女各两人），通过对口腔的复制获得四组模型，并取四组模型的尺寸平均值建立如图1-2所示的舌模型。采用CFD进行流体流动的建模和仿真模拟，获得舌表面及周边速度分布情况，揭示酸奶的流体粘度对舌/上颚间流体速度的影响。图1-2Mathmann等提出的人舌模型[21]缘于人真实口腔环境的复杂性，需建立相对完善的生物体组织。Mizunuma等[22]通过获取口腔模型的切片图并使用3DImaging软件进行三维模型的重建，最终获得口腔吞咽的简化模型，随即对果冻的吞咽进行了有限元模拟，同时讨论了果冻硬度对吞咽的
第一章绪论3影响。Sonomura等[23]在Mizunuma等提出的有限元模型基础上进行了改进，将外部实体元素设定为外壳元素，并获得如图1-3所示改进后的口腔吞咽简化模型。在该模型中，舌由主体部分（其上表面沿着中心存在一条凹线）与移动表面两部分组成，通过这两部分的组合运动使得舌/上颚后端产生挤压运动，并成功的将流体吞入咽部。该模型对吞咽异常的两种情况进行了模拟，并发现流体流动与吞咽速度、流体粘度及流体食物体积相关。图1-3Sonomura等改进后口腔吞咽的简化模型[23]此外，可采用有限元方法再现咀嚼和吞咽过程中自由表面的复杂性。Andrew等[24]提出了人体吞咽的仿真模拟，采用有限元方法建立了口腔中舌、上颚、骨骼等结构的三维模型，并使用平滑粒子流体动力学（SPH）模拟流体流动。Wang等[25]继续运用SPH建模进行吞咽模拟，并发现舌根部体积的减少可导致口腔吞咽过程中残渣的增多。除上述的数值计算与仿真模拟外，通过搭建体外测试平台来研究口腔环境下流体流动行为也是一种行之有效的手段。Redfearn等[26]搭建了机械体外装置来模拟口腔整体结构，而舌/上颚的吞咽模型装置如图1-4所示。在该装置中舌/上颚由有孔硅胶与固定平板组成，角度θ的大小也决定了口腔中流体流量的多少，采用步进电机的控制能够获得所需的舌运动，从而来模拟舌/上颚间的相对运动。图1-4Redfearn等提出的舌/上颚的吞咽模型装置[26]
【参考文献】：
期刊论文
[1]丁腈橡胶紫外线臭氧照射亲水改性及其水润滑性能研究[J]. 王家序,冯伟,韩彦峰,王立武,李俊阳. 摩擦学学报. 2019(04)
[2]基于Matlab GUI的数字图像处理仿真平台设计与开发[J]. 王文成,李健,王瑞兰,吴小进,孙学岩. 实验技术与管理. 2019(02)
[3]适用于吞咽困难的特定全营养医用食品的流变特性研究[J]. 李慧,关健,盛桂华,孙婉婷,王赛,王猛,王鑫烁,付鑫,周泉城. 现代食品科技. 2019(03)
[4]基于MATLAB GUI的机械臂末端位姿评价系统设计与实现[J]. 赵婕,郭庆,于望竹,倪爱晶,蔡子慧. 制造业自动化. 2018(05)
[5]膳食质地改变在老年吞咽功能障碍患者中的应用[J]. 陈艳秋,谢华,陈敏,韩维嘉,孙建琴,李或,葛丽萍,吴彩芳. 中国老年学杂志. 2017(21)
[6]基于Matlab-GUI的数值积分界面设计[J]. 张建斌,赵静,许晓晴. 实验室研究与探索. 2017(01)
[7]老年饮食障碍与老年食品:食品工业的挑战与机遇[J]. 陈建设,吕治宏. 食品科学. 2015(21)
[8]两平行刚性圆盘挤压幂律流体时接触面的滑移规律[J]. 徐春晖,杨薇. 中国农业大学学报. 2009(01)
[9]用旋转粘度计法研究非牛顿流体的流变性能[J]. 陈朝霞,管民. 现代仪器. 2007(02)
[10]平行刚性圆盘间有壁面滑移时宾汉流体的挤压流动[J]. 徐春晖,黄文彬,徐泳. 中国农业大学学报. 2003(02)
硕士论文
[1]山药粉代替凝固粉对脑卒中后吞咽障碍患者进食训练的效果观察[D]. 肖卫红.福建中医药大学 2018
本文编号：3402613
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Nicosia和Robbins提出的舌/上颚流体模型[10-11]
江南大学硕士学位论文2数值计算方法来探讨流体粘度和流体密度与吞咽时间的关系，发现当流体粘度极小时，吞咽时间取决于流体密度，其余情况下吞咽时间取决于流体粘度。该模型具有较好的应用价值，因而Nicosia[11]后来再次运用该模型对剪切速率的影响进行了进一步的研究。图1-1Nicosia和Robbins提出的舌/上颚流体模型[10-11]而Nicosia等采用的平行板挤压流体模型的理论模型早在20世纪70年代已有提出并得到牛顿流体运动近似解[12]，后研究人员运用四阶龙格-库塔方法及同伦扰动法得出更为精确的解，并进一步得出Reynolds数对速度分布和压力变化的影响[13-15]。除了对上述流体为牛顿流体下的求解外，徐春晖等[16-19]对二阶流体、宾汉流体及幂律流体下的求解也有取得了一定的理论成果。有限元模拟在口腔吞咽时流体的流动行为研究中也起到了一定的推动作用。Meng等[20]采用计算流体力学（CFD）来模拟牛顿流体与非牛顿流体在咽部的运输，并证明流体的流变特性会影响流体食物在咽部运输，通过该模型同时也能预测流体属性对吞咽过程的影响。为模拟口腔环境的结构，Mathmann等[21]选取四位成年人（男女各两人），通过对口腔的复制获得四组模型，并取四组模型的尺寸平均值建立如图1-2所示的舌模型。采用CFD进行流体流动的建模和仿真模拟，获得舌表面及周边速度分布情况，揭示酸奶的流体粘度对舌/上颚间流体速度的影响。图1-2Mathmann等提出的人舌模型[21]缘于人真实口腔环境的复杂性，需建立相对完善的生物体组织。Mizunuma等[22]通过获取口腔模型的切片图并使用3DImaging软件进行三维模型的重建，最终获得口腔吞咽的简化模型，随即对果冻的吞咽进行了有限元模拟，同时讨论了果冻硬度对吞咽的
第一章绪论3影响。Sonomura等[23]在Mizunuma等提出的有限元模型基础上进行了改进，将外部实体元素设定为外壳元素，并获得如图1-3所示改进后的口腔吞咽简化模型。在该模型中，舌由主体部分（其上表面沿着中心存在一条凹线）与移动表面两部分组成，通过这两部分的组合运动使得舌/上颚后端产生挤压运动，并成功的将流体吞入咽部。该模型对吞咽异常的两种情况进行了模拟，并发现流体流动与吞咽速度、流体粘度及流体食物体积相关。图1-3Sonomura等改进后口腔吞咽的简化模型[23]此外，可采用有限元方法再现咀嚼和吞咽过程中自由表面的复杂性。Andrew等[24]提出了人体吞咽的仿真模拟，采用有限元方法建立了口腔中舌、上颚、骨骼等结构的三维模型，并使用平滑粒子流体动力学（SPH）模拟流体流动。Wang等[25]继续运用SPH建模进行吞咽模拟，并发现舌根部体积的减少可导致口腔吞咽过程中残渣的增多。除上述的数值计算与仿真模拟外，通过搭建体外测试平台来研究口腔环境下流体流动行为也是一种行之有效的手段。Redfearn等[26]搭建了机械体外装置来模拟口腔整体结构，而舌/上颚的吞咽模型装置如图1-4所示。在该装置中舌/上颚由有孔硅胶与固定平板组成，角度θ的大小也决定了口腔中流体流量的多少，采用步进电机的控制能够获得所需的舌运动，从而来模拟舌/上颚间的相对运动。图1-4Redfearn等提出的舌/上颚的吞咽模型装置[26]
【参考文献】：
期刊论文
[1]丁腈橡胶紫外线臭氧照射亲水改性及其水润滑性能研究[J]. 王家序,冯伟,韩彦峰,王立武,李俊阳. 摩擦学学报. 2019(04)
[2]基于Matlab GUI的数字图像处理仿真平台设计与开发[J]. 王文成,李健,王瑞兰,吴小进,孙学岩. 实验技术与管理. 2019(02)
[3]适用于吞咽困难的特定全营养医用食品的流变特性研究[J]. 李慧,关健,盛桂华,孙婉婷,王赛,王猛,王鑫烁,付鑫,周泉城. 现代食品科技. 2019(03)
[4]基于MATLAB GUI的机械臂末端位姿评价系统设计与实现[J]. 赵婕,郭庆,于望竹,倪爱晶,蔡子慧. 制造业自动化. 2018(05)
[5]膳食质地改变在老年吞咽功能障碍患者中的应用[J]. 陈艳秋,谢华,陈敏,韩维嘉,孙建琴,李或,葛丽萍,吴彩芳. 中国老年学杂志. 2017(21)
[6]基于Matlab-GUI的数值积分界面设计[J]. 张建斌,赵静,许晓晴. 实验室研究与探索. 2017(01)
[7]老年饮食障碍与老年食品:食品工业的挑战与机遇[J]. 陈建设,吕治宏. 食品科学. 2015(21)
[8]两平行刚性圆盘挤压幂律流体时接触面的滑移规律[J]. 徐春晖,杨薇. 中国农业大学学报. 2009(01)
[9]用旋转粘度计法研究非牛顿流体的流变性能[J]. 陈朝霞,管民. 现代仪器. 2007(02)
[10]平行刚性圆盘间有壁面滑移时宾汉流体的挤压流动[J]. 徐春晖,黄文彬,徐泳. 中国农业大学学报. 2003(02)
硕士论文
[1]山药粉代替凝固粉对脑卒中后吞咽障碍患者进食训练的效果观察[D]. 肖卫红.福建中医药大学 2018
本文编号：3402613
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