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圆管狭窄下游定常流湍流场力学特性的定量检测和数值模拟

郭应强  
【摘要】: 目的:明确不同流动状况下体外圆管狭窄模型狭窄下游湍流场速度、TSS和压力的分布情况,阐述回流区流体力学特性分布和变化特征与心血管系统狭窄性病变病理学特点之间的对应关系,并探索心血管系统流体力学体内外研究准确实用的研究方法。 设计:采用体外物理模型实验和数值模拟计算方法研究局部流场流体力学特性。 材料与方法:(1)建立狭窄程度分别为40%、65%、75%和85%的有机玻璃圆管狭窄模型,循环液体为水和甘油的混合液(水0.7/甘油0.3;粘度:3.5×10~(-3)kg/s.m~(-1);密度:1.01×10~3kg/m~3),检测区域平均流速0.40~2.10m/s。(2)采用LDA、PIV和PDU检测不同流动状况下狭窄下游流场速度和TSS,并通过测压管直接测量边壁压力。(3)比较LDA和PIV流场边壁速度和TSS的检测精度,病明确狭窄下游流场速度、TSS和压力的分布情况,结合国内外已有的研究发现,阐述回流区流体力学特性分布和变化特征与心血管系统狭窄性病变病理学特点之间的对应关系。(4)基于本研究组既往的研究,改进PDU速度频谱分析技术,计算速度和RNS。通过与PIV检测结果对比研究,对PDU速度和RNS检测方法进行评价,并给出PDU检测RNS间接推算TSS的数学关系式。(5)建立数学模型,计算流场速度、TSS和压力分布,对比研究PIV和数值模拟计算结果之间的关系,评价数学模型的计算精度,并通过计算结果对实验研究进行补充。 结果:(1)LDA和PIV检测圆管狭窄下游边壁速度和TSS的结果之间具有高度线性相关关系(r值分别为0.94和0.95)。(2)与心血管狭窄性疾病分布区域对应的圆管狭窄下游回流区边壁始终为低速度、低TSS和低压力分布。随着狭窄程度的增加,回流区长度和宽度均增加,靠近狭窄出口断面TSS和压力值降低。(3)PIV检测狭窄下游30mm以内边壁区域RNS和TSS的结果之间具有高度线性相关关系(r=0.92),回归方程为: 四川大学临床医学博士专业学位论文—中文摘要 y(T!iS)二o,32x(RN习+0.08。(4)改进后的PDU速度频谱分析技术(S AM)与 PIV检测回流区边壁平均速度和RNS的结果之间存在良好线性相关关系(r 值分别为0.93和0.78),回归方程分别为:速度:y(PI刁二0.95x了pD切一0.02;。 RNS:y(PI均=1.09e0013义(PD功。PDu间接推算Tss的关系式为: y(T37S)=0.35e0013x(PD切+0.08。(5)圆管狭窄下游流场边壁速度、Tss和压力 的计算结果与实验结果之间均具有高度线性相关关系(r分别为:0.98、0.89 和0.99)。(6)数学模型计算结果表明:实验研究“盲区”内的速度、TSS 和压力进一步降低。 结论:(l)本研究构建的圆管狭窄下游定常流湍流场定量检测模 型,考虑了模型基本几何形状和流体基本物理性质与人体心血管系统狭窄 性病变局部流场的相似性,并能够满足光学仪器和声学仪器的检测要求, 制作成本较低,操作方便,流场稳定性高,在实际工作中具有较好的实用 性。(2)与LDA相比,PIV定量检测狭窄下游湍流场速度和TSS在方法 上有较大优势。在模型材料和循环流体光学条件许可的前提下,PIV可以 成为我们今后进行心血管系统流场体外研究的首选方法。(3)根据流场速 度分布特征,可将流场划分为中心射流区、回流区、速度分离层和剪切层 四个部分。回流区长度和宽度主要受狭窄程度的影响,回流区边壁始终为 低速度、低TSS和低压力分布。(4)回流区边壁低速度、低TSS和低压力 分布和变化特征与心血管系统狭窄性病变在狭窄局部的分布和变化特点相 似。回流区边壁低速度、低TSS和低压力的分布和变化在心血管系统狭窄 性病变病理过程中的作用值得在今后的研究中予以关注。(5)圆管狭窄下 游回流区边壁RNS和TSS之间存在y了儿:S)=o,32x了R瓦习十0.08的线性关系(r= 0.92),为检测一维速度脉动信号间接推算TSS方法的建立奠定了方法学基 础。(6) PDU速度频谱图像处理方法的研究和改进实现了基于PDU速度 频谱的RNS计算,初步建立了PDU检测一维速度,间接推算TSS的方法。 (7)k~£双方程模型数值模拟计算,较好地解决了实验研究中仪器检测 “盲区”内速度、TSS和压力分布定量刻画的问题,可以作为今后心血管 系统狭窄性病变流体力学实验研究的补充。


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