晶格玻尔兹曼方法对血液流的研究

• 作 者: 伊厚会
• 机 构: 中国科学院上海应用物理研究所
• 出 处: 中国科学院上海应用物理研究所
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 晶格玻尔兹曼方法 压力张量积分 网格划分 血液流 红细胞 生物流动

生命的维持与血液的流动是分不开的，机体的正常生理功能及防御功能都需要正常的血液流动。血液流量的减少以及红细胞在血液运输过程中一旦被堵塞可能造成机体的死亡。因此研究血液流的流动问题在基础医学中具有重要的意义。　　
血液流是一个异常复杂的生物流动系统，这对计算流体力学是一个巨大的挑战。1990年基于单弛豫时间近似的晶格玻尔兹曼方法被提出以来，由于其具有高效、精确、并行和鲁棒性以及边界条件易于施加等特点，被普遍作为特别适用于象血液流这样的异常复杂流体系统的数值模拟，目前已作为一种新的流体力学计算方法而得到广泛的应用。是最早提出利用晶格玻尔兹曼方法研究血液流的课题组之一。经过多年的研究和积累，逐步建立了一套新的研究血液流等复杂形变边界生物系统的方法。本论文就是在此基础上发展起来的，创新点主要包括以下几个方面：　　
(1)粒子在流体中的沉降和悬浮问题是研究红血球和血管壁等形变运动的基础。结合球面三角网格划分技术，提出了三维情况下流体力的计算方法：三维压力张量积分法。三维压力张量积分的模拟结果和实验结果符合得很好，能反映颗粒在流体中最为著名的效应：Segre-Silberberg效应(即颗粒在Poiseuille流中的稳定位置既不在管道中心也不在管壁，而是在管道中心和管壁之间的某一位置)，而之前的方法却不能模拟该效应。　　
(2)目前在红血球形变的模拟计算中，红血球在形变过程中膜表面局部曲率很小时，会导致系统不稳定。在课题组内，建立了二维情况下研究红血球运动形变的模型，解决了红血球在形变过程中的不稳定问题。本文利用表面三角网格划分技术，结合Helfich生物膜泡曲面弹性理论，提出了三维情况下模拟红血球运动形变的计算方法并成功解决了离散情况下红血球表面的受力计算问题。　　
(3)通过建立滚法推拿模型，研究滚法推拿对动脉血管中血液流量的作用原理。