模拟分析绒毛运动对传质和吸收过程的强化
发布时间：2020-10-16 11:21
消化器官内壁有着多级多尺度结构且运动方式复杂,理解其在消化吸收过程中的作用对人类健康具有重要意义。着眼于人体小肠绒毛,从化学工程师的独特视角出发,建立多物理场耦合模型描述小肠绒毛运动驱动下的营养物质传递与吸收。成功应用动网格方法实现绒毛往返周期运动。同时建立分析方法,量化传质与吸收效果。模拟结果显示绒毛沿着小肠管路轴向的往返运动,可以形成两个特征涡流,有效强化绒毛间流体和外部流体的交换,减小径向传质阻力。绒毛顶部在吸收中起到了关键作用。绒毛运动周期越小,最大传质增强因子越高,吸收量越大。绒毛越高,最大传质增强因子越高,再加上吸收面积越大,总吸收量会显著提升。对于900mm高的绒毛,在运动周期为6 s情况下,传质效果比绒毛不运动时的传质效果提升超过500%。
【部分图文】：
营养物质选取最有代表性的葡萄糖，其在小肠腔体内的传递符合对流扩散规律式中，C为葡萄糖浓度，mol/m3;D为葡萄糖在水中的扩散系数，m2/s。流体速度u由求解流场模型[式(2)、式(3)]获得，从而实现动量传递和物质传递的耦合。文中涉及的场与场的耦合指的是“流场”和“浓度场”的耦合。流场影响物质传递，物质传递不影响流场，是一种单向的耦合。
图2中可以更直观地观察到在上半周期（即0时刻到T/2），绒毛间间距逐步扩大；在下半周期，绒毛间距逐步减小。因为T/2和T时刻，绒毛速度为0[见式(5)]，所以流体速度比其他时刻小很多，几乎可以忽略[图2(d）、（h）中几乎看不到白色箭头，且代表速度的流线颜色为深黑色]。其他时刻流场呈现对称分布。图2中最明显的流场特征是绒毛的往复运动形成了两个涡流（见图中的流线）。表明绒毛在水平方向（即x方向，轴向）的来回运动促进了垂直方向（即y方向，径向）的流动和物质传递，有效减小径向传质阻力。由白色速度箭头的尺寸可以看出，绒毛间隙中的流速远大于外部流速。且间隙中速度方向为纵向，可以有效进行间隙间物质和腔体中物质的交换。另外，可以发现在每一时刻，两个涡流基本对称且方向相反。在上半周期，左右涡流分别为顺时针方向和逆时针方向。绒毛远离的运动，使得液体被“吸入”绒毛间的空间，有利于营养物质从远处向绒毛表面的传递。而在下半周期，涡流方向逆转，左右涡流分别变为逆时针方向和顺时针方向。此时绒毛靠近的运动，使得绒毛间液体被“挤出”。从图2中的浓度场可以看出。上半周期，绒毛间距变大，间隙间流速向下，明显看出葡萄糖被吸往绒毛顶部及绒毛间隙。绒毛表面附近浓度明显增强，且绒毛表面葡萄糖浓度为0，意味着表面附近葡萄糖浓度梯度变大，吸收通量将增加。在下半周期，绒毛间距变小，间隙间流体速度向外。绒毛表面附近浓度逐步减小，意味着吸收通量也将逐步减小。
图4(a)中显示，Peclet数在绒毛运动周期内呈现M形对称分布。前半周期及后半周期内都是先增大再减小。对流传质效果最强时刻为T/4和3T/4。这一结果和图2中流场分布分析结果一致。相较绒毛无运动时的传质效果，在前半周期内，传质效果先增强再稍有回落，之后在后半周期继续下降直到小于绒毛无运动时的传质效果，虽然最后有所回升但仍然回不到初始效果。绝大部分时间内，增强因子大于1，所以绒毛运动总体而言可以促进传质。且增强因子最大值可以到4.4，意味着传质效果增强到4倍有余[图4(b)]。传质的增强意味着吸收量的提升。图4(c)显示绒毛的运动带来了吸收量的明显提升（见图中实线和虚线的比较）。一周期结束时，比起无运动情况，有绒毛运动情况下吸收总量提升至约2倍。值得注意的是，后半周期内，传质增强效果并没有因为Peclet数的增加而增加。这是因为，后半周期内增强的对流传质方向为远离绒毛表面，反而对吸收起到抑制作用。图4 Peclet数、传质增强因子及总吸收量随时间的变化
【相似文献】
本文编号：2843186
【部分图文】：
营养物质选取最有代表性的葡萄糖，其在小肠腔体内的传递符合对流扩散规律式中，C为葡萄糖浓度，mol/m3;D为葡萄糖在水中的扩散系数，m2/s。流体速度u由求解流场模型[式(2)、式(3)]获得，从而实现动量传递和物质传递的耦合。文中涉及的场与场的耦合指的是“流场”和“浓度场”的耦合。流场影响物质传递，物质传递不影响流场，是一种单向的耦合。
图2中可以更直观地观察到在上半周期（即0时刻到T/2），绒毛间间距逐步扩大；在下半周期，绒毛间距逐步减小。因为T/2和T时刻，绒毛速度为0[见式(5)]，所以流体速度比其他时刻小很多，几乎可以忽略[图2(d）、（h）中几乎看不到白色箭头，且代表速度的流线颜色为深黑色]。其他时刻流场呈现对称分布。图2中最明显的流场特征是绒毛的往复运动形成了两个涡流（见图中的流线）。表明绒毛在水平方向（即x方向，轴向）的来回运动促进了垂直方向（即y方向，径向）的流动和物质传递，有效减小径向传质阻力。由白色速度箭头的尺寸可以看出，绒毛间隙中的流速远大于外部流速。且间隙中速度方向为纵向，可以有效进行间隙间物质和腔体中物质的交换。另外，可以发现在每一时刻，两个涡流基本对称且方向相反。在上半周期，左右涡流分别为顺时针方向和逆时针方向。绒毛远离的运动，使得液体被“吸入”绒毛间的空间，有利于营养物质从远处向绒毛表面的传递。而在下半周期，涡流方向逆转，左右涡流分别变为逆时针方向和顺时针方向。此时绒毛靠近的运动，使得绒毛间液体被“挤出”。从图2中的浓度场可以看出。上半周期，绒毛间距变大，间隙间流速向下，明显看出葡萄糖被吸往绒毛顶部及绒毛间隙。绒毛表面附近浓度明显增强，且绒毛表面葡萄糖浓度为0，意味着表面附近葡萄糖浓度梯度变大，吸收通量将增加。在下半周期，绒毛间距变小，间隙间流体速度向外。绒毛表面附近浓度逐步减小，意味着吸收通量也将逐步减小。
图4(a)中显示，Peclet数在绒毛运动周期内呈现M形对称分布。前半周期及后半周期内都是先增大再减小。对流传质效果最强时刻为T/4和3T/4。这一结果和图2中流场分布分析结果一致。相较绒毛无运动时的传质效果，在前半周期内，传质效果先增强再稍有回落，之后在后半周期继续下降直到小于绒毛无运动时的传质效果，虽然最后有所回升但仍然回不到初始效果。绝大部分时间内，增强因子大于1，所以绒毛运动总体而言可以促进传质。且增强因子最大值可以到4.4，意味着传质效果增强到4倍有余[图4(b)]。传质的增强意味着吸收量的提升。图4(c)显示绒毛的运动带来了吸收量的明显提升（见图中实线和虚线的比较）。一周期结束时，比起无运动情况，有绒毛运动情况下吸收总量提升至约2倍。值得注意的是，后半周期内，传质增强效果并没有因为Peclet数的增加而增加。这是因为，后半周期内增强的对流传质方向为远离绒毛表面，反而对吸收起到抑制作用。图4 Peclet数、传质增强因子及总吸收量随时间的变化
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本文编号：2843186
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