超声驱动下的液体中包膜气泡动力学模型

发布时间：2017-12-21 18:25

  本文关键词：超声驱动下的液体中包膜气泡动力学模型　出处：《南京大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：液体中的气泡若带有一层物质(称为包膜层)包裹住其内部气体,则称之为包膜气泡。现实中有的气泡天然带有包膜层,有的自发形成包膜层,还有的被人工赋予包膜层。在声空化领域,人们研究发现剧烈脉动的空化泡表面并不是简单的气液界面,而是存在一层包膜层。在超声医学界,人们制造了一种以蛋白质,或者脂质体,或者聚合体为外壳的微米量级的包膜气泡,用以增强医学超声影像,或者用其作为靶向给药的载体。而近年来在强超声治疗领域,利用包膜气泡在高强度聚焦超声作用下做大幅非线性脉动带来的高温高压效果,人们可以更为有效地摧毁体内的肿瘤细胞。本文介绍我们对现实中的包膜气泡的动力学问题所展开的建模和理论探讨工作,具体分为四个方面。1.声空化泡的包膜气泡动力学模型 实验研究表明,空化泡塌缩时其自身内部的高温高压条件会使泡外邻近的薄层液体转变为超临界水,从而成为空化泡的超临界水包膜层。基于流体力学和热力学,建立了带有超临界水层的空化泡动力学模型。数值计算表明,超临界水层显著地降低了空化泡内的塌缩温度,并对空化泡的脉动起到了缓冲作用,具有负效应。超临界水包膜层的负效应显示通常的自由空化泡模型可能过高地估计声空化泡内部的极端物理条件。2.非球形包膜气泡动力学模型通常,人工生产的包膜气泡往往不具有严格的球对称性形状,比如超声造影剂包膜气泡。基于流体力学和弹性力学,本文建立了一个超声驱动下非球形包膜气泡的动力学模型,其中将包膜层抽象为粘弹材料。基于该模型,以常见的卵形包膜气泡为例进行了数值模拟,结果显示：包膜气泡的几何形状对于其动力学特性有着重要的影响。尤其是包膜层的空间厚度分布对包膜气泡的脉动行为有巨大的影响,包膜层相对更薄的位置有着相对更大的脉动幅度。3.非球形包膜气泡近场局部高压研究考虑到包膜气泡的几何形状对于包膜气泡动力学特性有重要影响,不难推知,几何形状也可能显著影响包膜气泡对其外部环境的作用,即显著影响包膜气泡的实用效果。基于所建立的非球形包膜气泡动力学模型,本文进一步研究了非球对称包膜气泡外部流体压强分布,给出了相应的解析表达式。从理论上证明了非球对称包膜气泡附近流场存在着局部高压。在同等条件下,该局域压强比球对称情形时大得多。根据这个研究结果,使用非球对称包膜气泡允许人们使用更弱的超声,而实现预期的治疗效果。4.包膜气泡大幅非线性脉动模型在高强度治疗超声应用领域,包膜气泡做大幅非线性脉动,通常的包膜气泡动力学模型不再适用。本文建立了一个严格、实用的大幅脉动包膜气泡动力学模型。其中,引入了非线性弹性力学中的有限应变张量(Eulerian-Almansi张量),可应用于大多数粘弹材料构造的包膜气泡。若已知包膜材料的临界剪切应力,根据模型计算便可判断该包膜气泡在特定驱动声压下是否会发生破裂。此外,利用该模型还能够获得包膜气泡的非线性频响特性。结果显示随着驱动声压增大,共振频率往低频方向移动；同时,包膜气泡的次谐波响应增强。这些模型计算结果均与相关的实验观察相吻合。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O427.4

【参考文献】

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本文编号：1316737