基于流固耦合的计算流体力学在心血管疾病中的应用

心血管疾病是目前威胁我国人群健康的第一大疾病,现有的诊疗手段主要依赖于影像学检查,但该方法对血流成像以及流体力学变化缺乏有效参考。计算流体力学可以直观、可视化地模拟人体血管内的血流动力学状态并进行数值量化,但未进行流固耦合分析的计算流体力学因为与真实人体有差距,结果与真实值有一定差距。因此,基于流固耦合技术的数值模拟分析心血管疾病中的作用值得深入研究。本文章就基于流固耦合技术的计算流体力学在心血管疾病中应用及研究进展作一简要综述。

大面积矩形感性耦合等离子体源的三维流体力学模拟

利用自主开发的三维流体力学模型程序,对面向平板显示工艺和光伏工艺的大面积矩形感性耦合氩等离子体源进行了数值模拟.该模型自洽地求解了带电粒子以及中性粒子的流体方程和感应电场的波动方程.利用此模型,研究了气压、功率以及线圈形状对各种等离子体参数的三维空间分布和均匀性的影响.研究结果表明,当放电气压较低时(4 mTorr),电子密度的空间分布比较均匀,且电子密度的最大值出现在腔室的中心区域.感性沉积功率密度、激发态氩原子密度以及电子温度的最大值出现在线圈的下方.随着放电功率的增加,即从1000 W增加到4000 W,电子密度显著提高,但电子密度的空间分布变化不大.随着放电气压的升高,电子密度的均匀性明显下降,即电子密度的最大值主要局域在线圈下方.这是因为在较高的气压下,带电粒子与背景气体的碰撞增加,因此使得带电粒子的密度分布变得局域.此外,文章还研究了不同的线圈结构对于等离子体均匀性的影响.结果表明当气压较高(20 mTorr)时,使用3×3阵列线圈产生的等离子体的均匀性优于盘香型线圈,即通过改变线圈结构可以实现对等离子体均匀性的调控.文章的研究成果有助于加深对大面积矩形感性耦合等离子体放电特性的认知,这对于优化平板显示工艺以及光伏工艺至关重要.

电磁驱动高能量密度动力学实验的一维磁流体力学多物理场数值模拟平台:SSS-MHD

超高压、超高密度物质状态生成和性质研究是当代极端物理学的重要前沿领域,电磁驱动的高能量密度物理实验对于该领域的意义尤为重要。这类实验虽然形式上多种多样,但在物理上有内在统一性,即均以力学守恒定律和宏观电磁理论为基本框架。为了建立统一数值模拟平台、依靠负载电流实验数据(或驱动电路真实数据)确定各种极端实验条件下负载构形的力学运动及其与各个物理场的耦合问题,将经受大量实际检验的冲击、爆轰动力学和激光效应计算的一维拉格朗日编码SSS,实质性扩展成为磁流体力学多物理场耦合编码SSS-MHD。对于具有典型意义的平面准等熵斜波压缩、高速平面固体飞片发射、固体套筒电磁内爆和炸药内爆磁通量压缩实验等各类高能量密度动力学实验案例的模拟计算结果表明,编码SSS-MHD计算与美国Z装置、中国CQ和CJ系列装置的实验及美国编码ALEGRA-1D和2D计算数据的相对偏差基本不超过5%。该数值模拟平台为极端材料动力学实验(包括气体、液体、化合物和金属)提供了有力的支撑,还将有助于多维磁流体力学多物理场编码的开发。

提升管与气-固环流床层耦合反应器的流体力学特性及流动模型

针对催化汽油辅助反应器改质降烯烃技术,在一套提升管与气-固环流床层耦合反应器大型冷模实验装置上,研究了上部环流床层的流体力学特性。结果表明,在环流床层与提升管耦合操作的情况下,床层内颗粒环流存在两种推动力,分别为静压差推动力和颗粒喷射推动力;环隙与导流筒之间的整体平均固含率差随导流筒表观气速增加而增加,随颗粒外循环强度增加而降低;颗粒环流速度随导流筒表观气速和颗粒外循环强度增加而增加。通过对环流床层进行动量衡算,建立了提升管与环流床层耦合流动的数学模型,模型平均相对误差在15.95%以内。

基于流固耦合计算机流体力学模拟分析人体主动脉弓内血液流动

目的比较分析应用弹性血管壁的流固耦合计算流体力学(CFD)方法和刚性血管壁的CFD方法模拟获得的正常主动脉弓内血流动力学参数,同时比较两种方法的优劣,为深入研究血液流动状态与动脉疾病的关系提供帮助。方法取46岁男性,胸主动脉正常CT图像,格式为Dicom,层间距为0.5mm,每片图像的平面分辨率为512×512,像素大小为0.5mm。应用医学图像后处理软件,对通过临床获得正常人体主动脉CT二维医学图像数据进行重构,得到主动脉血流及血管壁的三维立体模型并应用于模拟计算。结果在设定边界条件和初始条件的基础上,经多次迭代耦合计算,获得血管壁形变、等效应力、血流速度、壁面振荡切应力等相关血流动力学参数。结论在心动周期内弹性血管壁的主动脉内血流情况较刚性血管壁主动脉内血流情况更为复杂,管壁等效压力变化较大,血管壁的振荡切应力更高,表明弹性血管壁的流固耦合的CFD模拟更能体现真实主动脉内复杂血流情况,为深入研究血流动力学与心脑血管疾病的关系提供了一定的技术支持。

感应耦合等离子体的1维流体力学模拟

采用双极扩散近似的流体力学模型,通过数值模拟方法研究了射频感应耦合等离子体(ICP)中等离子体密度和电子温度等物理量的空间分布,其中射频源的功率沉积由动力学理论给出。分析了不同的射频线圈的驱动电流和放电气压对等离子体密度和电子温度空间分布的影响。在低气压下,等离子体密度基本上保持空间均匀分布。随着放电压强的增加,等离子体密度的分布呈现出明显的空间不均匀性。当线圈电流增大时,等离子体密度和电子温度都随着增大。

柱等离子体中磁流体力学波之间的耦合

采用柱螺旋坐标系 ,把广义磁流体力学方程组简化为四元一阶微分方程组。在ω/ωci→ 0时 ,该方程组化为Hain L櫣ｓｔ方程 ;而当p→ 0 时 ,即是KAppert理论。在这两种情况下 ,Alfv啨ｎ波共振层都是奇异的。Alfv啨ｎ波共振层的奇异性来源于极限的选取谠独爰薜那?,离子的惯性会使理想磁流体中Alfv啨ｎ波共振层的奇异性消失 。

基于计算流体力学与刚体动力学耦合的高速旋转弹丸弹道计算方法

为了模拟高速旋转弹丸真实飞行弹道,基于弹轴运动附加于控制体表面、自转运动附加于壁面边界的思想,采用三维有限体积法,改进型简单低耗散迎风矢通量分裂格式、双时间步和Spalart-Allmaras湍流模型等计算流体力学(CFD)方法,建立具有任意拉格朗日-欧拉形式的流动模型。结合高速旋转弹丸刚体运力学(RBD)弹道方程组,推导出弹丸运动和控制体表面运动耦合的数学模型,提出一种CFD与RBD弹道耦合计算方法,实现了4阶龙格-库塔法中流动方程和弹道方程联立计算。研究结果表明:气动耦合方法和时间步长对弹道耦合计算结果影响较大;所提紧耦合方法在时间步长0.5 ms下M549旋成体弹丸仿真弹道结果与采用气动模型法计算结果基本吻合;旋转稳定二维弹道修正弹仿真弹道具有抬头力矩使弹丸低头的特性,该特性与文献[29]的研究结果一致。

间断级配砂土渗流侵蚀现象的计算流体力学-离散元耦合模拟

渗流侵蚀会导致土体中土颗粒的随水流流失,改变土体力学和水力特性,工程中常引起土石坝的变形甚至破坏。利用流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM),针对广泛存在于坝基、土石坝滤芯以及油气井反滤层中的间断级配砂土,对其级配进行合理简化后研究其在水力作用下的渗流侵蚀特性。通过8组模拟向上渗流试验研究了水力梯度、试样所受围压以及细粒含量对间断级配砂土渗流侵蚀过程的影响。试验中监测了细粒流失质量、细粒流失率、土表位移、微观组构变化等宏微观现象,并与既往室内试验进行了对照验证。同时,对渗流前后土体进行了排水剪切试验,研究渗流侵蚀对土体抗剪强度的影响。试验结果表明,在数值模拟试验条件下初始细粒含量变化对于细粒流失质量、峰值细粒流失率、土表位移及渗流前后的力学特性影响较试验中围压与水力梯度的影响更为显著。通过对微观组构的分析,发现不同细粒含量的试样在渗流过程中接触网络的构成与变动差异较大,细粒含量在35%的阈值附近,会发生土体力链传递结构的转换。三轴结果表明,细粒流失还会导致土体峰值强度降低、50%强度处的割线模量E50减小。

流固耦合力学专题序

流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而成的力学分支,以两相介质之间的相互作用为重要特征,研究可变形固体在流场作用下的行为及固体变形对流场影响的相互作用.流固耦合现象存在于海洋工程、航空航天、石油化工、核能工程、土木工程等几乎所有涉及国计民生的重大领域中,并会诱发结构静发散、载荷重新分布、颤振、极限环振荡及涡激振动等诸多工程问题.

基于计算流体力学热流固耦合仿真的换热器折流板结构优化

采用多物理场耦合方法,建立了管壳式换热器的计算流体力学(CFD)热流固耦合仿真分析模型,对20种不同折流板结构参数的管壳式换热器进行了流动与传热的数值模拟。CFD仿真计算结果显示,换热器的折流板间距和折流板缺口高度对流动和传热的影响相互关联,不能进行单目标优化设计。以JF因子作为换热器综合性能的评价准则,对管壳式换热器的折流板间距和折流板缺口高度进行了结构优化设计,提出在换热器内径(d)200 mm、换热管长1 140 mm、并流条件下,该换热器的最佳折流板间距为80 mm(折流板数目为10),最佳折流板缺口高度为0.3d(即60 mm)。

基于计算流体力学的寒区土壤水热耦合模型研究

土壤水文过程(水分运移和传热)及其对气候变化的响应是寒区水文学的前沿问题。然而,冻土的存在使得寒区土壤水文过程变得极其复杂。此外,寒区自然环境恶劣,较难获取长时间序列和高分辨率的野外观测资料。近年来,充分利用已有的观测数据,构建寒区土壤水热耦合模型,并开展相应的数值模拟研究,已成为理解寒区土壤水文物理过程,揭示其动力学机制的重要途径。基于寒区土壤水文物理过程和计算流体力学方法,构建了高分辨率、适用于完全饱和状态下的寒区土壤水热耦合模型,且自主研发了相应的数值求解器和软件包。随后,通过一系列完全饱和状态下的验证算例,如经典的一维传热方程解析解、被广泛应用的二维基准测试算例和室内土柱冻结实验等,对已构建的模型进行了系统的检验。模型模拟结果与解析解、基准算例的结果以及实验数据相比,均有较好的一致性,表明该模型较为准确且高效地模拟了寒区土壤在完全饱和状态下的水分运移和传热过程,尤其能够精细刻画冻土水-冰相态变化等关键过程,有望成为研究寒区土壤水文过程的有力工具。

外延分区耦合瞬态计算流体力学计算技术

针对典型压水堆堆芯细长流道数目多、结构复杂,耗用计算资源与时间极大的问题,本文开发了外延分区耦合瞬态流体力学计算技术。而改进后的外延分区耦合瞬态流体力学计算技术则可实时获取上游子域边界条件,优化子域划分方案。研究表明:经验证分析所设计方案在堆芯瞬态热工水力计算中高效且温度、压降预测准确、流速最大误差率不超过0.7%,均方根误差均小于0.02。研究极大地降低了单次计算负荷,具备工程应用前景,对确定堆芯薄弱环节、优化特征结构、提升安全及经济性等具有重大意义。

块裂介质岩石流体力学研究新进展

概括地介绍了我们在块裂介质岩石流体力学方面近年来所作的研究工作，内容包括：（1）岩体裂缝二维、三维分布分形规律及分形仿真方法；（2）三维应力作用下，气体、液体、气液二相流体沿裂缝的渗流物性规律；（3）二维、三维块裂介质固液、因气耦合数学模型及其数值解法；（4）承压水上采煤的理论与实践．

流体力学基本理论研究综述

目前对于流体力学基本理论的研究已非常成熟,但从流固耦合问题出发,重新梳理流体力学的基本理论是十分必要的.除了给出传统的Lagrange和Euler描述外,本文针对流固耦合中广泛应用的ALE描述,也给出了ALE描述下流体遵循的基本定律表达式,并根据实际应用,对流体力学基本方程进行简化,从而得到不同的控制方程.

磁驱动等熵压缩实验构形的磁流体力学计算模拟

在一维弹塑性反应流体力学拉格朗日编码SSS的基础上扩充编制成功的一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,可以计算模拟磁驱动等熵压缩(ICE)实验中多介质、多空腔的不同厚度平行样品构形(台阶靶)运动,并且把磁流体计算与模拟脉冲功率驱动源的集中参数外电路方程组直接耦合,不依赖于实验当时测量的驱动电流(电压)数据,直接根据原始数据对实验样品的力学和电磁学运动过程和各种参数剖面进行数值模拟.介绍了对于纯铝、钽和塑料粘结炸药等3种性能不同材料的台阶靶样品ICE实验的计算模拟,得到了与激光速度干涉测量的不同厚度样品后自由面(或光学窗口界面)速度历史十分符合的结果,对于实验结果的分析和实验设计的改进具有重要意义.旨在为磁驱动实验系统的校核、设计和实验构形改进提供有一定预测能力、功能比较完善的计算模拟研究手段.

平面和圆柱面构形的磁流体力学计算

在一维弹塑性反应流体力学Lagrange编码SSS的基础上,研制了多介质、多空腔、与集中参数外电路耦合的实验构形弹塑性反应磁流体力学一维计算编码SSS-MHD。在编码中,通过对构形边界与外电路的耦合以及不同构形磁场边界条件的统一处理等措施,解决了其中的关键问题。本文中编码的优势体现在两个方面:能够统一处理不同的磁流体力学实验构形,包括平面及圆柱面几何构形;可以同时进行磁流体力学和含能材料反应流动的计算。对平面准等熵压缩炸药和炸药爆轰驱动套筒压缩磁通量等两类典型实验进行了数值计算,结果与实验结果一致。

计算流体力学的时空观:模型的时空关联性及算法的时空耦合性

流体力学中波的有限传播、粒子的碰撞、各种力之间相互作用,无不体现时空关联效应。本文从计算方法的视角探讨计算流体力学的时空观,即流体力学模型的时空关联性和计算方法的时空耦合性。从流体力学微团法建模出发,明确模型时空关联性的涵义,建立有限体积格式的基本原理,阐述算法时空耦合的必要性,实现流体力学基本控制方程物理建模与有限体积格式数学原理的统一。在实践中,给出时空耦合高精度数值方法设计思路,利用算例比较它与时空解耦方法的差别。期望通过时空观的建立,对未来计算流体力学的算法研究提供帮助。

重型门桥水阻力的计算流体力学数值模拟

应用流固耦合理论及计算流体力学有限元法对重型门桥的水阻力问题进行了数值模拟 ,分析了不同的航速、不同的门桥类型以及不同的舟体排列方式对门桥运动的流场中速度、压强等流体参数分布的影响 ,得到了不同模式下舟体物面的压力曲线。对模拟结果进行了分析 ,并与相关的经验公式进行了比较。证明了数值模拟的准确性和可靠性。对重型舟桥的舟体线型。

腹主动脉瘤血流动力学流固耦合分析

利用医学建模软件MIMICS对内蒙古民族大学附属医院提供的腹主动脉瘤CT数据进行三维模型重建,借助流固耦合仿真软件Workbench15.0进行血流动力学数值模拟,得到一个心动周期梭状腹主动脉瘤的管壁形变量、血液流场、壁面切应力。计算结果显示,在心动收缩期瘤内存在明显的涡旋和低流速区域,长此以往易造成瘤腔内壁出现血细胞堆积、细胞炎症等问题,动脉瘤大部分为低壁面切应力区域,区域长期处于低切应力会使瘤壁弹性蛋白降低,并且发现形变集中区域中心的形变量最大,在该区域极易发生动脉瘤破裂。借助双向流固耦合方法对弹性壁的腹主动脉瘤进行数值模拟,可以从血流动力学角度分析动脉瘤产生、发展及破裂的原因,为腹主动脉瘤的诊断和治疗提供依据。