复杂形状血管中血液两相流动研究

动脉粥样硬化是最常见的动脉疾病，动脉粥样硬化的成因和发展机制一直是生物医学工程领域研究的热门课题之一。动脉粥样硬化容易出现在大、中动脉的弯曲和分叉处，因此血流动力学因素对动脉粥样硬化的病灶选择性以及动脉粥样硬化斑块的形成和发展起着决定性作用。目前有关的血流动力学研究，决大部分的工作都是将血液看作是不可压缩的单相牛顿流体，这种假设对血管尺寸较大和直管的情况是适用的，但是对于血管直径较小和管路形状复杂(如弯曲血管、分叉血管以及病变狭窄血管)的情况会造成较大的误差。也就是说红细胞的存在可能会使心血管血流动力学因素发生改变，因此血液中红细胞的尺度相对于血管尺寸可能需要加以考虑，这就需要计入血液中红细胞和血浆的相互作用。 本文将针对人体心血管系统中较为复杂的血管形状(U形弯曲管和Y形分叉管以及二者病变狭窄后的血管)，利用计算流体力学的方法和血流动力学的理论，从血液液—固两相流的角度，进行相关的血液流动力学分析。并阐述两相流动情况下血流动力学量之间的关系，以及动脉狭窄后的局部血流动力学环境，分析动脉粥样硬化发病的流体力学机理。本研究工作将有利于提高人们对心血管系统病变的认识，而且可为心血管疾病的预防、诊断和治疗提供有价值的参考。 本文首先通过比较几种液—固两相流模型，结合本研究的特点，确定适合本研究的模型，并建立了血液两相流动的连续方程和动量方程。研究了液—固两相流中的相间作用力、液相和固相压力、液相和固相的偏应力张量，并确定了各种力的相互关系以及各自表达式；接着在上述的基础上建立了具有代表性的弯曲血管和分叉血管的液—固两相流动模型，并在此基础上，充分考虑血管狭窄的情况，建立弯曲血管和分叉血管的各种病变狭窄模型，并确立了血液两相流动的数值计算方法和相关的边界条件；最后在考虑血液实际生理流动的情况下，利用FLUENT软件对正常血管和病变狭窄血管血液两相流动进行数值仿真计算，得到了血管中血液两相流动的动力学参数，分析这些参数对心血管疾病的形成和发展造成的可能影响；同时比较了血液两相流动和单相流动时动力学参数的变化，揭示了是否考虑两相流动影响造成的血流动力学特性的差异；并分析了狭窄后的血流动力学参数对动脉粥样硬化的发展和恶化所造成的可能影响。