流固耦合在生物分叉流及人工心臟中的應用研究.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，用自編制三維非線性有限元程序來求解薄壁結構的非線性變形，通過交替計算的方法來實現(xiàn)流體和結構的耦合。 首先研究了一個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，重點考察了不同雷諾數(shù)下支管變窄對分叉流動的影響；COPD病

2、人的肺管往往因為發(fā)炎而腫脹，同時分泌非常粘稠的液體而導致肺管的局部堵塞，因此對肺部流動產(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的肺管分叉流動時，采用的進口邊界條件對下游的流動有著顯著的影響，整個分叉管中的流動由進口邊界條件主控。COPD顯著地改變了分叉管中的流場結構。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)對流動產(chǎn)生嚴重的堵塞，使得流體不能順利流到下一級，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病人深呼吸時反而不利于氧氣交換的現(xiàn)象。此外本文結果還建議，在使用噴霧藥劑進行CON)治療時，病人應該將噴霧藥劑緩慢吸入肺部，有利于藥物到達更下級的病變處。 基于非線性殼體理論，發(fā)展了用于求解任意形狀薄壁結構非線性靜力學屈曲問題和動力學響應問題的三維有限元程序，并與CFD軟件Fluent相結合，采用交替計算的耦合方法，發(fā)展了用于解決定常強流固耦合問題和非

4、定常強流固耦合問題的數(shù)值計算方法，并成功地開展了對人體內(nèi)柔性分叉管路輸運流體時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)的流體輸運管路都是柔性薄壁結構，當流體流過柔性薄壁通路時，流體和固體之間將強烈地相互影響，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流體時的定常流固耦合問題。發(fā)現(xiàn)在三級肺動脈分叉模型和呼氣過程中的肺管分叉模型中，處于第二

5、級的柔性管塌陷成N=3的模態(tài)。當外壓遠大于管內(nèi)的流體壓力時，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。當管內(nèi)流體壓力和外壓處于相當?shù)乃交蛘叽笥谕鈮簳r，管道的塌縮隨著流動雷諾數(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張段形成了逆壓力梯度。在大雷諾數(shù)時，較大的逆壓力梯度導致了流動的分離進而形成回流。塌陷管橫截面上的二次流跟隨著管道的變形趨勢，即當管壁向里凹陷時，二

6、次流將靠近管壁的流體向管中心輸運，當管壁向外凸起時，二次流將中心處的流體向壁面輸運。 最后，模擬了中央制動式人工心臟中的非定常流固耦合問題。中央制動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，再泵入主動脈和肺動脈中以實現(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強烈地耦合在一起。通過詳細地研究人工心臟中囊膜的運動規(guī)律以及血液的流動特性，發(fā)現(xiàn)在簡化的中央制動式人工心臟中，舒張期內(nèi)，進口管

7、和血室的連接處因為發(fā)生流動分離而形成一個三維渦環(huán)。渦環(huán)在隨著流動向下游運動的過程中，在粘性耗散的作用下逐漸減弱，并在外壁面上形成一個帶狀大壁面剪應力區(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)在血室左側形成的一個流動滯止區(qū)可以通過對人工心臟的外形進行優(yōu)化而消除，從而改善人工心臟內(nèi)的血流動力學特性。在“鳳凰”人工心臟的舒張期內(nèi)，初始為“蛋”形的囊膜形成三個凹陷，折疊成不等邊三角形狀。囊膜的運動可以分為前屈曲、屈曲和后屈曲三個階