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多重力学刺激作用下新内膜重塑模型构建和数值模拟研究

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多重力学刺激作用下新内膜重塑模型构建和数值模拟研究

作者：杨煜佳北京工业大学

学位级别：硕士

支架植入术是治疗冠心病,恢复血运重建的常见手段,然而,这种手术会导致管壁受到超生理负荷,并引起血流环境变化,从而发生新内膜重塑。支架植入后的新内膜重塑过程受到多重力学刺激的影响,主要包括动脉应力(arterial stress,AS)与壁面切... 详细信息

支架植入术是治疗冠心病,恢复血运重建的常见手段,然而,这种手术会导致管壁受到超生理负荷,并引起血流环境变化,从而发生新内膜重塑。支架植入后的新内膜重塑过程受到多重力学刺激的影响,主要包括动脉应力(arterial stress,AS)与壁面切应力(wall shear stress,WSS)。目前,这些力学刺激对新内膜重塑过程的作用效果尚不明确,重塑过程中新内膜组织对血管应力分布的影响也有待研究。因此,本研究以力学刺激与新内膜重塑的关系作为切入点,通过构建力学刺激作用下的新内膜重塑模型,模拟支架植入后新内膜重塑过程,以观察单一力学刺激作用下新内膜重塑的特征及多重力学刺激共同作用下新内膜重塑时血管应力分布的变化。具体研究内容分为三个部分:(1)模拟AS作用下新内膜重塑。在考虑血管残余应力的基础上,使用有限元方法求解支架植入后血管壁上的AS,并提出构建AS作用下新内膜重塑模型的方法。探讨AS作用下新内膜重塑的特征及管腔形貌变化。(2)模拟WSS作用下新内膜重塑。构建支架植入后血管流腔模型,应用计算流体力学仿真方法获得支架段血管WSS分布,并建立WSS作用下的新内膜重塑模型模拟该力学刺激下新内膜重塑过程,探讨WSS作用下新内膜重塑的特征及管腔形貌变化。(3)模拟AS和WSS共同作用下的新内膜重塑过程。生理状态下新内膜重塑会同时受到AS和WSS的影响,因此构建AS和WSS共同作用下的新内膜重塑模型来还原完整的新内膜重塑过程。并通过观察此过程中血管壁应力分布以及高应力区域的变化,来探究新内膜组织对支架植入后血管力学环境变化的作用效果。针对三部分研究内容得到结果如下:(1)支架植入后,血管应力集中出现在支架两端花冠附近的血管内壁上,应力峰值为0.278 MPa。AS作用下,初期新内膜局部增殖速度较快。随后支架段血管原有内膜逐渐被新内膜组织覆盖。由于应力分布差异带来的增殖差异,支架附近新内膜重塑存在凸起或凹陷形态,但不明显。(2)支架植入后较高的WSS区域为支架上、下游以及支架网孔附近的血管壁面。支架植入初期,在支架上游和支杆处率先形成新内膜,随后下游新内膜厚度逐渐增大。支架网孔处的新内膜厚度始终较小。(3)AS和WSS共同作用下,新内膜最先出现在上游支架花冠处,随后在整个支架附近逐渐形成新内膜组织,最终,整个支架段血管均被较厚的新内膜组织覆盖。重塑前后血管壁上的应力峰值由原来的0.278 MPa降低至0.097 MPa,高应力区域呈减少的趋势,到第28天重塑完成时高应力区域体积减少了约64.6%。基于上述结果,得出以下结论:(1)新内膜重塑速度与发生位置受AS和WSS力学刺激的影响有显著性差异。WSS作用下,新内膜重塑范围更广,除支架段还包括支架上、下游;受AS作用新内膜主要集中在支架段,并随时间向上、下游发展。通过不同力学刺激易发生新内膜重塑的特征,提示了WSS作用下新内膜重塑与支架局部的血流扰动密切相关,而AS作用下新内膜重塑受到支架边缘影响较大,因此,可基于这些特征寻找减少支架内再狭窄发生的关键方法。(2)随着支架附近新内膜组织的形成,血管壁上应力减小,高应区域体积减少了一半以上。这表明尽管新内膜不能完全平衡支架植入带来的高应力,但随着AS减小,新内膜重塑将逐渐减弱。

关键词：新内膜重塑支架内再狭窄数值模拟动脉应力壁面切应力

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湍流边界层内添加控制的流动与传热特性

中国电机工程学报 2013年第14期33卷 67-74,7页

作者：高小明李惟毅汪健生中低温热能高效利用教育部重点实验室(天津大学) 天津市南开区300072

采用数值模拟的方法对矩形槽道内湍流的流动与传热特性进行了研究,并对充分发展湍流边界层内的法向脉动速度和展向脉动速度分别进行了控制,对添加控制后的槽道流动与传热特性进行了研究。将矩形槽道内湍流模拟结果与Kim等人的直接数值... 详细信息

采用数值模拟的方法对矩形槽道内湍流的流动与传热特性进行了研究,并对充分发展湍流边界层内的法向脉动速度和展向脉动速度分别进行了控制,对添加控制后的槽道流动与传热特性进行了研究。将矩形槽道内湍流模拟结果与Kim等人的直接数值模拟结果进行了比较,模拟结果与直接数值模拟结果吻合较好,换热面Nu数与采用Gnielinsk公式计算所得Nu数进行了比较。通过对边界层内脉动速度控制可以达到减阻的目的,控制方法采用将边界层内的条带型区域内正法向脉动速度控制为0和原脉动速度的0.1、0.2、0.3倍,展向脉动速度控制为0,但随着流动减阻效果的提高,槽道换热面的换热效果也均有所降低。

关键词：数值模拟湍流控制流动减阻换热壁面切应力

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基于CT图像的胸主动脉瘤模型构建及分析

北京工业大学学报 2011年第5期37卷 788-793页

作者：付文宇孟宪龙顾兆勇乔爱科北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124 北京工业大学生命科学与生物工程学院北京100124

三维重建基于CT的胸主动脉瘤有限元模型并进行血流动力学数值模拟,为分析胸主动脉瘤的血流动力学机理及其临床治疗提供理论依据.依据临床胸主动脉瘤患者CT数据,结合M IM ICS 11数字化影像处理软件,获取胸主动脉瘤的优化表面模型.随后导... 详细信息

三维重建基于CT的胸主动脉瘤有限元模型并进行血流动力学数值模拟,为分析胸主动脉瘤的血流动力学机理及其临床治疗提供理论依据.依据临床胸主动脉瘤患者CT数据,结合M IM ICS 11数字化影像处理软件,获取胸主动脉瘤的优化表面模型.随后导入ANSYS ICEM CFD11.0进行胸主动脉瘤模型的有限元网格划分.最后在ANSYS CFX11.0中完成胸主动脉瘤的血流动力学分析.建立了临床上适用于胸主动脉瘤患者血流动力学分析的有限元模型.获得了个性化胸主动脉瘤模型中血液流场的流线、速度矢量、血管壁面压力和血管壁面切应力的分布和变化.模型具有数字化、个性化特征,可用于胸主动脉瘤血液动力学计算,分析临床胸主动脉瘤患者动脉瘤的破裂机理.

关键词：胸主动脉瘤 CT图像有限元模型三维重建壁面切应力

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微通道内亲疏水壁面特性对入口段长度的影响

航空动力学报 2021年第2期36卷 384-395页

作者：吴瀚枭杨雯李海旺徐天彤方卫东聂芃芃夏双枝北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 北京航空航天大学航空发动机研究院航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家级重点实验室成都610213 中国保利集团新时代科技有限公司北京100088 北京航空航天大学高等理工学院北京100191

针对水力直径为200μm的微尺度通道,采用数值模拟的方法研究了壁面亲疏水特性产生的速度滑移对微尺度通道入口段长度的影响,建立了包含滑移长度影响的入口段长度修正计算公式。研究表明:相同流量下,速度滑移的存在使得微尺度通道充分发... 详细信息

针对水力直径为200μm的微尺度通道,采用数值模拟的方法研究了壁面亲疏水特性产生的速度滑移对微尺度通道入口段长度的影响,建立了包含滑移长度影响的入口段长度修正计算公式。研究表明:相同流量下,速度滑移的存在使得微尺度通道充分发展段的最大速度减小,从而缩短了入口段长度,且在低雷诺数区域,入口段的缩短效应更为显著。针对不同的雷诺数区域分别进行无量纲入口段长度计算公式的拟合,得到拟合系数随滑移长度的变化规律与对应关系,从而建立了滑移长度对入口段长度的修正计算方法和准则关系式,利用修正公式计算的结果与数值模拟结果相比,最大误差为3.7%。

关键词：亲疏水壁面微通道速度滑移壁面切应力入口段

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圆形断面管道非满流水动力特性

水科学进展 2020年第4期31卷 547-555页

作者：丁法龙茅泽育清华大学水利水电工程系北京100084

为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响,应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术(FAVOR),针对圆管非满流建立三维数值模型,通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验,分析断面... 详细信息

为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响,应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术(FAVOR),针对圆管非满流建立三维数值模型,通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验,分析断面流速、壁面切应力和雷诺切应力分布规律等。研究结果表明:圆管非满流断面上不同垂线的流速分布具有较好的相似性,据此提出了垂线流速分布的抛物线公式;针对不同充满度条件提出了壁面切应力沿湿周分布的统一表达式;雷诺切应力沿垂线服从线性分布规律,充满度越大且距中垂线越远,沿垂线的变化梯度越小;当充满度大于0.5时,由于受二次流影响断面中垂线上雷诺切应力出现负值。

关键词：圆形断面管道流速分布壁面切应力雷诺切应力非满流数值计算

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窄流道内弹状流和液膜特性的数值模拟

核动力工程 2011年第6期32卷 81-85页

作者：张文志潘良明徐建军黄彦平重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400044 中国核动力研究设计院中核核反应堆热工水力技术重点实验室成都610041

基于流体体积函数(VOF)模型,对矩形窄流道中不同液相流速下泰勒气泡及周围流场特性进行分析。结果表明,无量纲气泡速度随毛细力数(Ca)变化关系与垂直方形流道实验结果符合较好。壁面切应力在气泡长度方向上不断变大,直到进入尾流区,产... 详细信息

基于流体体积函数(VOF)模型,对矩形窄流道中不同液相流速下泰勒气泡及周围流场特性进行分析。结果表明,无量纲气泡速度随毛细力数(Ca)变化关系与垂直方形流道实验结果符合较好。壁面切应力在气泡长度方向上不断变大,直到进入尾流区,产生强烈的无规则变化。随着液体质量流速的增大,泰勒气泡变得更尖锐,液膜厚度变厚,但壁面切应力和液膜轴向速度减小,从而出现液膜中下降液膜比例减小。

关键词：泰勒气泡壁面切应力液膜 VOF模型

倾斜上升管内气液两相弹状流壁面传质特性研究

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工程热物理学报 2009年第9期30卷 1505-1508页

作者：闫凯贺潇张宇博车得福西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室陕西西安710049

采用VOF模型对倾角为45°、80°、85°三种情况下倾斜上升管内弹状流的壁面传质特性进行了研究。传质特性通过其与壁面切应力的类比关系来体现。数值模拟结果表明,低混合物流速时,上管壁面切应力在液膜区有明显波动,而下管壁面切应力分... 详细信息

采用VOF模型对倾角为45°、80°、85°三种情况下倾斜上升管内弹状流的壁面传质特性进行了研究。传质特性通过其与壁面切应力的类比关系来体现。数值模拟结果表明,低混合物流速时,上管壁面切应力在液膜区有明显波动,而下管壁面切应力分布则比较光滑。随着混合流速的增大,液膜区上下壁面切应力分布趋于一致。管子下壁面切应力平均值大于管子上壁面,在Taylor气泡运动速度较低时较为突出。随着Taylor气泡速度的增大,管子上下壁面的切应力平均值趋于相同。相同的混合流速下倾斜角度越大,上下管壁的切应力分布越趋于近似。下降液膜区的壁面切应力平均值大于Taylor气泡尾迹区域。根据Chilton-Colburn的类比关系,壁面切应力的规律完全适用于壁面传质系数。

关键词：弹状流倾斜管 VOF 壁面切应力传质系数

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基于液固两相流的脑动脉瘤破裂的数值模拟

工程热物理学报 2013年第7期34卷 1291-1294页

作者：李迪王跃社张玉蓉西安交通大学动力工程与多相流国家重点实验室陕西西安710049 西安交通大学第一附属医院陕西西安710061

脑动脉瘤是一种由于动脉管壁病理性局部扩张产生的脑血管瘤样突起,有着较高的致死率和致残率。动脉瘤的成病机理异常复杂,关于脑动脉瘤破裂的病变机理在临床医学上迄今仍无统一定论,但普遍接受学术界认定的血流动力学因素对瘤体破裂起... 详细信息

脑动脉瘤是一种由于动脉管壁病理性局部扩张产生的脑血管瘤样突起,有着较高的致死率和致残率。动脉瘤的成病机理异常复杂,关于脑动脉瘤破裂的病变机理在临床医学上迄今仍无统一定论,但普遍接受学术界认定的血流动力学因素对瘤体破裂起决定作用这一观点。血流动力学因素中,影响动脉瘤的生长和破裂的是瘤内涡流和壁面剪切应力(WSS);当瘤内存在多涡复杂结构时,动脉瘤发生破裂的概率会急剧上升。本文利用FLUENT数值模拟,建立动脉瘤内液固两相动力学模型模型,模拟人体内部动脉瘤内红细胞等有形颗粒流动情况,重点分析内部流场及有形颗粒对瘤壁的冲刷信息,确定动脉瘤破裂的潜在区域和动力学条件,为脑动脉瘤临床诊断和预防提供理论依据。

关键词：脑动脉瘤脉动血细胞涡流壁面切应力

不同结构支架植入蜿蜒型颅内动脉瘤的仿真研究

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北京工业大学学报 2011年第5期37卷 780-787页

作者：乔爱科顾兆勇孟宪龙付文宇北京工业大学生命科学与生物工程学院北京100124 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124

为了探讨不同结构的血管内支架对颅内复杂动脉瘤的血液动力学特性的影响,针对同一蜿蜒形颅内动脉瘤结构,构建了4种不同的裸支架(截面形状和孔隙率不同),分别植入动脉瘤的有限元模型,进行流体动力学仿真计算,获得了一些血流动力学的定量... 详细信息

为了探讨不同结构的血管内支架对颅内复杂动脉瘤的血液动力学特性的影响,针对同一蜿蜒形颅内动脉瘤结构,构建了4种不同的裸支架(截面形状和孔隙率不同),分别植入动脉瘤的有限元模型,进行流体动力学仿真计算,获得了一些血流动力学的定量信息.4种模型中,无论是在减小血流对动脉瘤远端瘤壁冲击,还是在局部高压力的降低以及减小动脉瘤壁面切应力等方面,孔隙率较低的三角形截面的网格支架的效果均优于其他3种模型支架的效果.设计采用的三角形截面支架由于血液流入和流出时的流阻不同,导致该支架植入动脉瘤后对瘤腔血流的影响不同,从而产生了动脉瘤腔内的血流动力学差异.这可以为支架结构设计提供一些理论指导意义.

关键词：血管内支架动脉瘤血液动力学计算流体动力学壁面切应力