高切应变率条件下血栓孔口流动的数值模拟

发布时间：2017-09-13 03:30

  本文关键词：高切应变率条件下血栓孔口流动的数值模拟

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【摘要】：近年来,人工心脏、支架等人造器官在世界范围内被广泛地开发。然而这些人造器官对血细胞的破坏却始终是制约其进一步发展的主要因素之一。对血细胞的破坏主要包括血栓和溶血。血栓和溶血可由多种理化因素引起,血液的不合理流动是其产生的重要因素。医疗流体器械往往具有较为复杂的内部结构,这将增加血细胞破坏的可能性。故而从血液流动出发研究血栓和溶血的生成具有重要意义。关于血栓的研究,采用修正的k-￡紊流模型对孔口流进行了数值模拟,运用差分法编程计算得到了它的流场。在考虑了血液组成成分之间化学反应的情况下,模拟了血液成分(主要为血小板)在孔口流流场下的输移,得到了血液成分的随时变化,并分析了模型参数对计算结果的影响。通过壁面通量模型模拟了非血管壁面对血液成分的影响(主要为血小板的沉积),分析了不同孔口管形状对血小板沉积的影响。并且采用了耗散粒子动力学方法模拟孔口流中血小板的碰撞和凝集,分析了孔口形状对结果的影响,并且分析了模型参数的不同取值对结果的影响。研究结果显示：孔口流的流线在孔口处收缩,孔口周围的切应变率比较大,并且不同孔口形状下的流场也不相同；该血栓模型对模型参数较为敏感；浓度输移的计算结果发现随着化学反应的进行血液成分之间发生转化,活化血小板在壁面的沉积越来越多,得到了活化血小板在壁面沉积数量的随时变化并且计算了沉积数量的初始梯度作为血小板的沉积率；通过比较孔口流动的平均切应变率和血小板沉积率的关系发现高平均切应变率下的血小板沉积率也高,也就是说应尽可能地减少流体器械内的切应变率以降低血栓生成的可能。最后比较分子扩散系数和涡流扩散系数的结果发现涡流扩散系数下血液成分浓度更加均匀,然而血液成分总量保持一致。采用耗散粒子动力学方法的研究发现,血液在孔口管内流动时血小板之间发生碰撞和凝集现象；孔口流动中耗散粒子动力学方法对模型参数较为敏感；不同孔口形状下血小板的碰撞和凝集过程也不相同,高的平均切应变率对应血小板在壁面的附着量。关于溶血的研究,利用商业软件ANSYS对离心血泵在不同工况下其内部的血液流动进行了数值模拟,得到了这些工况下的流场。基于流场信息,计算了不同工况下的溶血评价量,分析了影响血泵溶血评价量的因素。同一比转速下所计算的泵在高流量下的扬程较低,同一流量下泵在高比转速下的扬程也高；不同工况下泵内都产生了漩涡；泵在高流量和高比转速下的壁面切应力也较高：同一比转速下泵在高流量下溶血评价量也较高,同一流量下泵在高比转速下的溶血评价量也较高。本文主要通过数值模拟的方法研究了人工脏器开发过程中经常出现的血栓和溶血的问题,说明了数值模拟方法在该领域中的应用价值,为相关研究提供借鉴。
【关键词】：孔口流 血泵 血栓 溶血 数值模拟
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.1
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 研究背景9
• 1.2 血栓和溶血形成的现象9-10
• 1.3 血栓的研究进展10-11
• 1.4 溶血的研究进展11-12
• 1.5 研究内容12-13
• 第2章 差分法模拟库爱特流和孔口流内血栓的生成13-44
• 2.1 血栓模型及模型的修改13-17
• 2.1.1 背景13
• 2.1.2 血栓模型及其修改13-16
• 2.1.3 壁面通量模型16-17
• 2.2 库爱特流内血栓生成17-21
• 2.2.1 计算内容17
• 2.2.2 流场17-18
• 2.2.3 血液成分的输移和血小板的沉积18-21
• 2.3 孔口流内血栓生成21-37
• 2.3.1 计算内容21
• 2.3.2 孔口流的计算模型及模型参数的敏感性分析21-26
• 2.3.3 孔口流的流场计算及初始血液浓度分布26-29
• 2.3.4 固定参数值下AB孔口管内浓度输送和活化血小板的沉积29-34
• 2.3.5 不同孔口管下计算结果的比较34-37
• 2.4 涡流扩散系数下的计算结果37-43
• 2.4.1 血液成分的扩散系数37-38
• 2.4.2 涡流扩散系数下血液成分的浓度输移38-43
• 2.5 结论43-44
• 第3章 耗散粒子动力学法模拟孔口流内血小板之间的碰撞和凝集44-54
• 3.1 耗散粒子动力学方法44-46
• 3.1.1 耗散粒子动力学回顾44
• 3.1.2 耗散粒子动力学模型44-46
• 3.2 计算条件46
• 3.2.1 流场计算46
• 3.2.2 血小板的初始条件46
• 3.3 计算结果及其分析46-52
• 3.3.1 血小板之间的凝集46-47
• 3.3.2 耗散粒子动力学的模型参数敏感性分析47-50
• 3.3.3 不同孔口形状下血小板在壁面的附着50-52
• 3.4 结论52-54
• 第4章 血泵的溶血评价54-66
• 4.1 血液破坏项目54
• 4.1.1 背景54
• 4.1.2 血液破坏项目概要54
• 4.2 血泵流场的计算条件54-59
• 4.2.1 简介54-56
• 4.2.2 流场计算的边界条件56-57
• 4.2.3 紊流模型57-58
• 4.2.4 网格划分58-59
• 4.3 泵的工作特性59-65
• 4.3.1 泵的流动特性59-60
• 4.3.2 流线60-62
• 4.3.3 流场变量的断面分布62-63
• 4.3.4 壁面切应力的计算结果63-65
• 4.4 溶血评价分析65
• 4.5 结论65-66
• 第5章 结论与建议66-68
• 5.1 全文总结66-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-71
• 致谢71-72
• 附录72-78
• 1 控制方程的离散化-有限差分法72-78
• 1.1 网格生成方法72
• 1.2 一般坐标的变换72-74
• 1.3 差分法离散控制方程74-78
• 攻读硕士期间参加的学术会议和发表的论文78-79

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1 裔英明;高切应变率条件下血栓孔口流动的数值模拟[D];扬州大学;2016年

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本文编号：841261