微粒子动力学包括壁效应的有效计算

发布者:admin 发布时间:2019-10-24 18:42 浏览次数:

  微粒子动力学包括壁效应的有效计算_电力/水利_工程科技_专业资料。微粒子动力学包括壁效应的有效计算 摘要 这个研究描述了一种为球状微粒子壁间的相互作用和近壁瘀滞浓度可能升 高进行单方面结合欧拉-拉格朗日模拟仿真的有效方法。重点是在粒子血液动力 学模拟仿真中粒子悬浮液

  微粒子动力学包括壁效应的有效计算 摘要 这个研究描述了一种为球状微粒子壁间的相互作用和近壁瘀滞浓度可能升 高进行单方面结合欧拉-拉格朗日模拟仿真的有效方法。重点是在粒子血液动力 学模拟仿真中粒子悬浮液是由重要血液细胞组成的,比如单核细胞,而且运输他 们的液体是非牛顿的。论文认为粒子运动方程的适应性时间步长积分,相关的点 力模型和任意三维空间几何的粒子表面诱导力的适应性已经被概述出来。 与已得 到的实验轨道作比较, 表明流体元素路线在删除壁面边界淡化瞬态条件的情况下 可能经常被用来模拟无相互作用血液粒子。但是,当粒子的墙间的相互作用很重 要时,需要粒子轨迹方程的延伸方式,其中包括 Stokes 阻力时期,近壁阻力的 修正,或者润滑力,压力梯度和近壁粒子的上升力。但是,在纳米范围内额外的 物理和生物化学壁作用力不能被迅速的计算出来; 因此近壁停留时间模型表明血 液粒子沉积的可能性被提出。 这个原理运用在股动脉旁路月底侧吻合的虚拟模型 中,基于拉格朗日的近壁停留时间参数的轮廓被举例出来而且验证了收敛性。为 了有效的计算出大量的粒子轨迹需要计算出粒子停滞的区域, 建议的粒子跟踪算 法存储在一个共享内存构架,所有的瞬态速度场的解决方法的数据,并使用一种 自适应的并行方法计算粒子轨迹。与商业的粒子追踪包相比较,提出的算法有能 力减少计算时间通过在复杂的周期性流域模拟典型瞬态单向耦合血液粒子。 1. 介绍 单相和多相的输送现象的计算模拟对调查复杂流体粒子动态学在自然以及人 为的进程中的重要应用是一种高效的技术。在流体粒子运输模型中,在相关的大 流域中欧拉-拉格朗日方法是一种有效的技术用于评估传递,扩散和微粒子的潜 在墙壁间的相互作用。在这种方法里,流体被认为是一个连续统一体,离散阶段 被认为是一种自然拉格朗日方法,这种方法可能会可能不会对流体要素产生效 应。把有限粒子当做多成分混合物中的溶质的另一种方法通常对在停滞,分离, 再循环和复位的区域中捕捉粒子墙间的相互作用力无效。此外,建模为离散元素 颗粒消除数值扩散的错误并提供了一个方便的流场可视化技术。 关注生物流体动力学,各种为粒子运动的欧拉-拉格朗日模拟技术被广泛应 用在层流和紊流系统中。 通过使用离散元素的途径可以调查处微气溶胶粒子在气 管的运动和沉积。 可是, 血液粒子运动的模拟没有被广泛应用, 类似于流体元素。 Perktold 在轴对称动脉瘤模型中运用流体元素路线去模拟漩涡结构和停滞区 域。在脉动狭窄流中,Kunov 在轴对称狭窄流中追踪那些被假设为成组活化了的 血小板的拉格朗日流体元素并应用局部体积的停留时间定量的概念, 考虑到粒子 积累多久保持在那里多久。在类似狭窄结构中,布坎南生产各种输入脉冲频率局 部流体元素的停留时间地图。 深入了解血液粒子的运动和在近壁区域的停滞对于鉴别一般内膜增厚区域 和预测由于血栓而造成血管闭塞很重要。 以前的血液粒子模拟在复杂的分支几何 中很少考虑在粒子运动中的粒子墙的重要血液动力学效应。 对于相对简单的几何 和少量的血液细胞, 粘合剂动态技术已经发展到可以完全解决可变形粒子周围的 流域并成立反应动力学模型去模拟分子受体和向心配合体之间的相互作用在随 机基础上。因为计算的需要,粘合剂动态方法不是大规模血管几何目前适用的在 高粒子计数的利益。 考虑到小规模的分子粘附在复杂的三维几何中不能被精确的解决, 有必要用 另外一种方法去抓住血液颗粒沉积的可能性。 它已经提出了增强粒子近壁瘀滞和 /或高浓度的地区可量化的近壁停留时间参数。这种方法与基于体积停留时间概 念的路线类似,在考虑从墙上的粒子分离距离的重要因素时。为了获得加强粒子 墙之间相互作用的区域,使用单相耦合欧拉-拉格朗日方法计算血液粒子运动。 而有效的是,大量典型血液粒子轨迹被模拟出产生收敛近壁停留时间剖面,这就 需要有效的模拟技术和搞性能的机器构架。 这个研究描述了关键血液粒子(比如说单核细胞和血小板)的欧拉-拉格朗 日模拟,并在动脉疾病的研究中扮演了重要的角色。使用近壁停留时间技术去研 究粒子壁相互作用和量化的近壁瘀滞。 论文认为应该讨论粒子运动方程的自适应 时间步长积分,相关点力模型,在任意三维几何中的粒子表面诱惑力和基于拉格 朗日的近壁停留时间参数的收敛性。作为应用轴对称突然膨胀测试床的瞬态系 统,休斯的端至端的管状吻合的几何和现实的股动脉旁路端配置。 2. 讨论 这个研究探索了血液粒子运动在理想和现实血管结构状态下的欧拉-拉格朗 日类型的模拟。如预期推测那样,使用中性悬浮流体元素可以有效模拟集中管腔 的轨迹;但是,血液动力学条件和近壁粒子反应显著影响血液粒子的粘附。在复 杂的几何以前的血液粒子模拟广泛忽略粒子墙运动的血液动力学的效应并假设 粒子粘附发生在表面接触的初始点。 粒子运动的方程式中的近壁润滑力和上升力 能准确找到粒子的的轨迹,尤其是正常的静止的墙,大量生物物理粒子表面间的 相互作用变得难以捉摸在近壁停留时间模型中。 与在这个研究中实施的离散元素方法相比较,多元模型认为血液粒子(比如 是血小板)是被对流和扩散运输的化学物种。实验研究确定的剪切相关参数被用 来考虑粒子扩散和粒子粘附的速度。 这些模型忽略血液动力学相互作用力的离散 性,因为假设常数在复杂非平行流域中不能被有效得执行。为了克服粒子墙血液 动力学相互作用在多元混合物模型中的逐出,Slater 和 Young 发明了运用二阶 代表的方法去解决问题。这个方法需要其他一系列等式为粒子墙相互作用,如果 发生很多事时会很低效。另外,在撞击墙或者分离流区域需要特别的措施来避免 非物理建设和消耗。因此,欧拉-拉格朗日方法提供另外一种有效的选择让粒子 墙间的相互作用直接合并。 血液粒子运输的特点是高度脉动流和在肠腔与近壁时间尺度间的巨大差异。 因此,有必要通过高灵活的步长去适应积分常规。即使实施积了极步长控制,粒 子追踪算法与商业流域解决方案经常限制用户访问步长控制参数。此外,商业程 序解决瞬态流场的粒子轨迹的进展;瞬态流场的解决方案经常不被保存。留在流 域的多个脉冲周期和连续同化的粒子导致成百上千的不必要的流场解决方法的 步骤。为了克服可用商业软件的限制,通过使用一个单独的 Fortran 例程在一种 高效脱线方式下计算出血液粒子模拟。跟描述一样,这个例行程序为一个完整的 脉冲周期的所有时间步长用阵列格式储存所有速度和几何参数。F90 例行程序为 多个粒子脉冲轨迹进行重复访问和插补速度场数据在单相耦合制定情况下。此 外, 脱线 密码提供权利去访问自适应步长尺寸控制参数, 允许近壁近似规范, 并有效的并行。 结果算法在 90000 控制量几何 22.5 小时以内的 10 脉动周期能够 计算出 50000 粒子,与 200 个小时的相比较需要商业 CFD 组件。此外,一旦流量 场解决方法用阵列格式产生和储存起来,每个额外的 50000 个粒子需要在 2.5 个小时内计算出来。F90 算法的缺陷是大量的存储需要容纳瞬态流场的解决方 法。虽然,SGI2400 在共享内存里能够维护和快速访问你需要的数据。 近似值经常考虑近壁血液动力学间的相互作用, 对于球状粒子和光滑墙壁的 Stokes 流域的限制很有效。实际上,血液粒子都是些球状的内皮细胞,排列在 血管壁上,导致血管壁粗糙和积极表面能够扩张微绒毛并表达粘附分子。这些特 点考虑粒子的粘附在有限的时间里,即使粒子雷诺系数很小。为了避免变形非球 状粒子对血管表面反应的确切模拟, 近壁停留时间概念允许血液粒子的近似值根 据近壁粒子的的停滞和提升浓度。粒子越靠近粒子壁,粒子停留的时间越长,也 就越可能形成沉积。在近壁停留时间技术的前后关系中,在相关的巨大数量粒子 中几何球状血液粒子的假设和相应的近壁相互作用力能有效的鉴别实验观察血 液粒子沉积模型。


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