流固耦合在生物分叉流及人工心臟中的應(yīng)用研究.pdf

1、本論文采用數(shù)值模擬的方法，以從弱耦合到強(qiáng)耦合、定常耦合到非定常耦合為主線，研究了人體內(nèi)分叉流動(dòng)和人工心臟中的流固耦合問題。使用CFD求解器Fluent來求解粘性流體的流動(dòng)，用自編制三維非線性有限元程序來求解薄壁結(jié)構(gòu)的非線性變形，通過交替計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)流體和結(jié)構(gòu)的耦合。 首先研究了一個(gè)最弱形式的流固耦合問題。模擬了以慢性肺部阻塞性疾病(COPD)為背景的分叉肺管中的流動(dòng)，重點(diǎn)考察了不同雷諾數(shù)下支管變窄對分叉流動(dòng)的影響；COPD病

2、人的肺管往往因?yàn)榘l(fā)炎而腫脹，同時(shí)分泌非常粘稠的液體而導(dǎo)致肺管的局部堵塞，因此對肺部流動(dòng)產(chǎn)生顯著的影響。研究發(fā)現(xiàn)在用數(shù)值方法模擬患有COPD的肺管分叉流動(dòng)時(shí)，采用的進(jìn)口邊界條件對下游的流動(dòng)有著顯著的影響，整個(gè)分叉管中的流動(dòng)由進(jìn)口邊界條件主控。COPD顯著地改變了分叉管中的流場結(jié)構(gòu)。大雷諾數(shù)下，在喉道下游產(chǎn)生很大的回流區(qū)，大回流區(qū)對流動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重的堵塞，使得流體不能順利流到下一級(jí)，因此對下游的質(zhì)量流量分布產(chǎn)生顯著的影響。管道的堵塞顯著地增加了

3、流體的阻力，COPD產(chǎn)生的部位越靠前，流體的壓力損失越大。合理地解釋了COPD病人深呼吸時(shí)反而不利于氧氣交換的現(xiàn)象。此外本文結(jié)果還建議，在使用噴霧藥劑進(jìn)行CON)治療時(shí)，病人應(yīng)該將噴霧藥劑緩慢吸入肺部，有利于藥物到達(dá)更下級(jí)的病變處。 基于非線性殼體理論，發(fā)展了用于求解任意形狀薄壁結(jié)構(gòu)非線性靜力學(xué)屈曲問題和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)問題的三維有限元程序，并與CFD軟件Fluent相結(jié)合，采用交替計(jì)算的耦合方法，發(fā)展了用于解決定常強(qiáng)流固耦合問題和非

4、定常強(qiáng)流固耦合問題的數(shù)值計(jì)算方法，并成功地開展了對人體內(nèi)柔性分叉管路輸運(yùn)流體時(shí)的定常流固耦合問題及人工心臟中的非定常流固耦合問題的研究。 人體中大多數(shù)的流體輸運(yùn)管路都是柔性薄壁結(jié)構(gòu)，當(dāng)流體流過柔性薄壁通路時(shí)，流體和固體之間將強(qiáng)烈地相互影響，流體和固體的行為緊密地耦合在一起。本文基于肺動(dòng)脈和呼氣過程中的肺管模型，模擬了人體內(nèi)薄壁柔性分叉管道輸運(yùn)流體時(shí)的定常流固耦合問題。發(fā)現(xiàn)在三級(jí)肺動(dòng)脈分叉模型和呼氣過程中的肺管分叉模型中，處于第二

5、級(jí)的柔性管塌陷成N=3的模態(tài)。當(dāng)外壓遠(yuǎn)大于管內(nèi)的流體壓力時(shí)，管道的變形主要受到外壓的主控，管道塌縮成相對規(guī)則的形狀。當(dāng)管內(nèi)流體壓力和外壓處于相當(dāng)?shù)乃交蛘叽笥谕鈮簳r(shí)，管道的塌縮隨著流動(dòng)雷諾數(shù)的變化而發(fā)生顯著變化，流體和固體之問的相互作用非常顯著，管道塌縮后的形狀不再規(guī)則。在塌陷管喉道下游的擴(kuò)張段形成了逆壓力梯度。在大雷諾數(shù)時(shí)，較大的逆壓力梯度導(dǎo)致了流動(dòng)的分離進(jìn)而形成回流。塌陷管橫截面上的二次流跟隨著管道的變形趨勢，即當(dāng)管壁向里凹陷時(shí)，二

6、次流將靠近管壁的流體向管中心輸運(yùn)，當(dāng)管壁向外凸起時(shí)，二次流將中心處的流體向壁面輸運(yùn)。 最后，模擬了中央制動(dòng)式人工心臟中的非定常流固耦合問題。中央制動(dòng)式人工心臟工作的基本原理是通過柔性囊膜的收縮和舒張，把含氧血從心房吸入人工心臟中，再泵入主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈中以實(shí)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)的正常工作。因此柔性囊膜的行為和血液流動(dòng)強(qiáng)烈地耦合在一起。通過詳細(xì)地研究人工心臟中囊膜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及血液的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)在簡化的中央制動(dòng)式人工心臟中，舒張期內(nèi)，進(jìn)口管

7、和血室的連接處因?yàn)榘l(fā)生流動(dòng)分離而形成一個(gè)三維渦環(huán)。渦環(huán)在隨著流動(dòng)向下游運(yùn)動(dòng)的過程中，在粘性耗散的作用下逐漸減弱，并在外壁面上形成一個(gè)帶狀大壁面剪應(yīng)力區(qū)，從而對血室外壁面產(chǎn)生很好的洗刷作用。人工心臟收縮期內(nèi)在血室左側(cè)形成的一個(gè)流動(dòng)滯止區(qū)可以通過對人工心臟的外形進(jìn)行優(yōu)化而消除，從而改善人工心臟內(nèi)的血流動(dòng)力學(xué)特性。在“鳳凰”人工心臟的舒張期內(nèi)，初始為“蛋”形的囊膜形成三個(gè)凹陷，折疊成不等邊三角形狀。囊膜的運(yùn)動(dòng)可以分為前屈曲、屈曲和后屈曲三個(gè)階