应用计算流体动力学方法估测医院急诊大厅颗粒物分布特征的研究

目的基于室内场所的空间几何构型、风速、颗粒物浓度和环境温度测量值,阐述空气中颗粒物浓度、悬浮时间等分布规律。方法现场测量医院急诊大厅的空间及其中大型设施的尺寸,测量环境中颗粒物数量浓度、温度、风速,场所空间尺寸用于构建模型,环境检测参数用于确定模型的边界条件和验证模型的正确性。基于格子波尔曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)计算颗粒物运动,应用对流扩散方程计算空调送风系统出风口处颗粒物浓度的变化,离散相模型(discrete phase model,DPM)用于计算颗粒物在流场的运动情况。结果环境检测表明空调送风系统出口风速与室内颗粒物数量浓度呈负相关,人群聚集的候诊区颗粒物数量浓度高于诊室(P值均<0.05)。通过建立的数学模型进行仿真计算,仿真相对浓度未超过实测相对浓度的x±s范围,候诊人群使局部颗粒物浓度升高,候诊区人员咳嗽呼出气中的颗粒物可以在15 s内传播给周围的人,呼出气中60%的颗粒物悬浮时间可持续几分钟或更长时间。结论改变模型中的空间几何尺寸和环境检测参数可以用于计算不同室内场所中颗粒物的分布情况,仿真结果与实测结果具有可比性,数学计算结果可支持环境呼吸危害防控管理措施的制定。

基于计算流体动力学技术评估动脉瘤性蛛网膜下腔出血后迟发性脑缺血风险

目的基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术,探究动脉瘤性蛛网膜下腔出血(anauryrmal subarachnoid hemorrhage,aSAH)后颅内血流动力学早期变化与迟发性脑缺血(delayed cerebral ischemia,DCI)发生的潜在关系。方法本研究前瞻性收集经CTA(CT Angiography)诊断并经DSA(Digital Subtracted Angiography)或手术证实为颅内动脉瘤破裂的患者。收集患者的临床和术前、术后的头颅CTA数据。基于患者的CTA原始图像构建个体化颅内血管模型,基于CFD技术模拟计算术前、术后的压力和壁剪切应力(wall shear stress,WSS)及PR(pressure ratio)、WSSR(WSS ratio)。通过随访影像学或临床体格检查判断是否发生DCI,并分为DCI组和无DCI组,分析比较两组间临床资料及血流动力学参数差异及其与DCI相关性。结果共入组51例患者,其中DCI组共15例患者(29.4%)DCI组较无DCI组,入院时收缩压(170.87±20.28 vs.1.58.19±28.06,P=0.037)、Pressure术后(19735.10±860.18vs.14606.06±11260.28,P=0.010)和PR(1.58±0.01vs.1.37±2.12,P=0.012)均较高。单因素分析显示血流动力学参数均无统计学差异,而多因素分析显示Pressure术前(OR=1,95%CI:0.999~1,P=0.017)、Prassure术后(QR=1.00.1,95%CI:1~1.001,P=0.007)、WSS术前(OR=1.096,95%CI:1.002~1.198,P=0.045)和WSS术后(OR=0.888,95%CI:0.806~0.979,P=0.017)对DCI的影响有统计学意义。ROC曲线显示,基于Pressure术前、Pressure术后、WSS术前及WSS术后模型对DCI的识别效能AUC为0.794,敏感度为73.33%,特异度为86.1%。结论aSAH后颅内血流动力学早期改变与DCI发生有关。

光滑粒子流体动力学流体仿真技术综述

光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是实现流体仿真的主要技术之一.随着生产实践中流体仿真应用需求的增加,近些年涌现了许多相关研究成果,改善了流体不可压缩性、粘性、表面张力等物理特性模拟的视觉真实性、效率与稳定性.同时,一些工作探讨了复杂场景的高质量模拟,以及多场景、多材料的统一仿真框架,增强了SPH流体仿真技术的应用效能.从以上几个方面对SPH流体仿真技术进行归纳、总结和讨论,并对其未来发展进行了展望.

基于个体化计算机流体动力学方法评估阿尔茨海默病脑血流动力学改变

目的基于阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)患者和认知功能正常对照者影像学数据构建个体化计算机流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模型,并定量评估受试者脑血流动力学状态及其对AD的诊断效能。方法纳入AD患者30例及认知功能正常的对照34名,基于磁共振血管成像(magnetic resonance angiography,MRA)重建其几何动脉树,结合颈/椎动脉超声血流动力学参数以及同步动脉血压构建个体化CFD模型,以模拟其血流状态并计算相关动力学指标。结果AD组与对照组相比,年龄[(75.33±8.93)岁vs.(68.12±10.73)岁]、体质指数[(22.89±3.41)kg·m^(-2)vs.(24.48±2.90)kg·m^(-2)]、尿酸[(265.17±80.36)μmmol·L^(-1)vs.(323.15±89.70)μmmol·L^(-1)]、白蛋白[(38.29±4.22)g·L^(-1)vs.(40.46±3.62)g·L^(-1)]、脑血流量(cerebral blood flow,CBF)[(10.14±3.10)cm^(3)·s^(-1)vs.(12.73±3.42)cm^(3)·s^(-1)]、脑血管阻力(cerebrovascular resistance,CVR)[(10.72±4.12)dyn·s·cm^(-5)·1000 vs.(8.21±2.38)dyn·s·cm^(-5)·1000]的差异有统计学意义(P<0.05)。AD组颅内动脉血管体积分别与CBF(r=0.493,P=0.006)和颅内血管出口数目(r=0.519,P=0.003)呈正相关,CVR与CBF呈负相关(r=-0.826,P<0.001)。logistic回归分析显示,AD患病与年龄(OR=1.083,95%CI:1.014~1.157,P=0.017)和CBF(OR=0.803,95%CI:0.652~0.989,P=0.039)有关联。ROC曲线分析显示,CVR、CBF区分两组的曲线下面积分别为0.687、0.709(P<0.05)。结论年龄增加和CBF减少是AD独立危险因素。个体化CFD模型测定的CVR升高和CBF减低对AD诊断具有价值,该无创、无放射性定量测定脑血流动力学的方法值得临床推广。

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。

基于计算流体动力学CFD的电力工程仿真设计

阐述计算流体动力学CFD的原理,电力工程仿真模型的特点,电力工程仿真的计算方法,提出基于CFD的电力系统仿真的几种模型。基于工程实例,探讨不同类型的电力工程仿真计算过程,包括网格划分及网格独立解、计算参数设置、计算结果分析,验证CFD方法在电力系统中的应用。

串联型颈动脉狭窄的血流动力学模拟分析

目的使用计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)对串联型颈动脉狭窄(tandem carotid artery stenosis,TCAS)进行模拟,比较不同手术方式术后的血流动力学改变情况。方法选取1例颈内动脉(internal carotid artery,ICA)和颈总动脉(common carotid artery,CCA)串联型狭窄患者,使用CFD技术对建立的4个颈动脉分叉三维模型(1个真实患者模型,3个假定手术模型)进行血流动力学分析,探索TCAS的发生发展机制并指导选择合适的手术方案。结果在串联型狭窄中,狭窄优先在CCA形成,随后导致ICA狭窄;TCAS较单个颈动脉狭窄的局部血流动力学情况更复杂,风险更高;串联型狭窄中,单个狭窄部位的治疗会影响第二个狭窄部位的血流,并可能导致再狭窄或斑块破裂。结论在规划TCAS手术方案时,对选定TCAS患者进行CFD模拟可帮助临床医生评估术后血流改变情况,指导选择合适的手术方案。

基于计算流体动力学方法的气温观测仪器设计与辐射误差研究

受太阳辐射影响,地面气温观测仪器测量值与自由空气真实温度偏差较大,误差达1℃量级。基于此,文章设计了一种既可以有效阻挡太阳辐射直接照射测温探头,又可以引导气流流向测温探头的地面气温观测仪器。经实验验证,文章研制的气温观测仪器的测量结果与基准值之间的平均绝对误差和均方根误差分别为0.030℃和0.035℃,达到了0.1℃量级的技术要求。

进口防旋板对汽轮机交错齿迷宫密封泄漏特性和动力学特性影响研究

为提高汽轮机高压缸和中压缸之间过桥汽封的气流激振动力学性能、抑制汽轮机轴系振动失稳,针对交错齿迷宫密封,开展了进口防旋板结构方案设计和动力学性能评估研究。首先,建立了具有“虚拟旁路边界”的交错齿迷宫密封动力学计算模型,实现了对动密封进口压力场和高预旋速度场的精准模拟;然后,采用基于多频椭圆轨迹涡动模型的非定常计算流体动力学(CFD)摄动数值方法,对比分析了进口预旋(预旋比为0、0.3、0.5)对无防旋板结构的迷宫密封的动力特性系数的影响规律;最后,详细评估了不同进口防旋板结构方案的止旋抑振性能,比较分析了防旋板倾角和数量对迷宫密封的泄漏量、动力特性系数和周向旋流比分布的影响规律。研究结果表明:迷宫密封泄漏量对防旋板倾角和数量变化不敏感(泄漏量变化小于0.5%);进口预旋会导致迷宫密封交叉刚度和有效阻尼穿越频率增大、有效阻尼减小,易诱发轴系失稳;进口防旋板能够显著减小迷宫密封的交叉刚度(约为53%)和有效阻尼穿越频率(约为24 Hz)、增大有效阻尼,使密封泄漏量略有增加(约为4.5%);相较于直防旋板,45°倾角斜防旋板使密封交叉刚度进一步降低约14%,有效阻尼穿越频率变化较小;当防旋板数由36增加到72时,密封交叉刚度降低约24%,有效阻尼穿越频率减小约5 Hz;而当防旋板数由72增加到144时,密封的转子动力特性对防旋板数变化不敏感;综合考虑加工成本和止旋抑振性能,具有72个直防旋板的迷宫密封进口防旋板结构方案最优。研究结果可为交错齿迷宫密封防旋板设计提供参考。

孔的排布方式对孔型阻尼密封泄漏特性和动力学性能影响研究

为揭示孔的排布方式对孔型阻尼密封性能的影响规律以及探究最佳排布方式,基于多频椭圆轨迹涡动模型非定常计算流体力学摄动数值方法,研究了不同孔径、孔排布方式下孔型阻尼密封的泄漏特性和动力学性能。采用孔型阻尼密封试件试验数据,验证了数值方法的可靠性和准确性,通过计算分析了不同孔径(3.175、12.268 mm)、孔排布方式(轴向顺排、周向顺排)、进口预旋(0、0.5)对孔型阻尼密封的泄漏量、动力特性系数和腔室动态压力的影响规律。数值结果表明:大孔径孔型阻尼密封动力学性能较优,具有较高的有效阻尼和较低的穿越频率,但封严性能较差,对应的泄漏量增加了6%~10%;小孔径孔型阻尼密封的泄漏特性和动力学性能对孔的排布方式不敏感,泄漏量偏差小于0.5%,动力特性系数偏差小于7%;对于大孔径孔型阻尼密封,采用周向顺排的方式可获得更好的封严性能以及更优的动力学性能,泄漏量可降低4%,有效阻尼的穿越频率也得到显著减小。该研究可为孔型阻尼密封的设计提供参考。

颈动脉斑块血流动力学成像技术及新进展

颈动脉粥样硬化性狭窄是引起缺血性脑卒中(ischemic stroke,IS)的主要疾病之一,尽早发现狭窄并识别易损斑块可以显著改善疗效,降低致死率和致残率。血流动力学改变与斑块的形成、发展、破裂有着密切关系。利用血流动力学参数来评估动脉粥样硬化斑块破裂的风险及指导临床治疗方式的选择已经成为动脉粥样硬化精确诊疗的研究焦点。然而,血流动力学参数与斑块相互作用的机制尚未被完全阐明,血流动力学相关影像学技术也未广泛开展。本文通过对既往文献进行回顾,进一步梳理颈动脉斑块血流动力学的影像进展,以及血流动力学变化与斑块形成、发展、破裂之间的相互作用机制,并探讨了这些特征与缺血性卒中的关系,旨在评估综合分析斑块成分和血流动力学对颈动脉粥样硬化性狭窄引起脑卒中事件的预测价值。

掺氢天然气管路结构对超声波流量计适应性计算流体力学仿真研究

氢气是实现降低温室气体排放的潜在能源载体。氢气输送是阻碍氢能大规模应用的薄弱环节。而掺氢天然气管路是实现氢气大规模、长距离、低成本输送的高效途径。但氢气掺入天然气会导致流速,压力等参数发生变化,影响超声波流量计的性能。因此,研究氢气和天然气的掺混过程及超声波流量计的适应性是很有必要的。构建T型管、单螺旋管、单螺旋+前收缩管掺混管路的三维模型,使用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法分析管路结构和掺氢比对流场氢气浓度和混合气体速度分布规律的影响。结果表明:5%掺氢体积比时C型掺混管路为最佳模型,掺混均匀时的氢气摩尔分数约为4.92%。通过分析超声波流量计的适应性,进而推荐具体安装位置。研究成果为超声波流量计在掺氢天然气精确计量方面提供了参考。

基于CTA数据后处理对颈内动脉狭窄处血流动力学特点的研究

目的 基于头颈部CTA影像数据建立计算流体力学(CF)仿真模型,研究颈内动脉狭窄处的血流动力学特点。方法 回顾性分析蚌埠医学院第二附属医院2021-05—2023-03符合纳入标准的30例患者,运用脑血管三维重建技术对颈动脉及颈内动脉进行3D模型重建,并进行血流动力学参数分析测量及统计,测得颈内动脉狭窄处的壁面剪切应力(WSS)、时间平均壁面剪切应力(TAWSS)、震荡剪切指数(OSI)、相对滞留时间(RRT)并分析各项参数之间的相关性及差异性。结果 颈内动脉狭窄区域的WSS、TAWSS、OSI、RRT分别为58.669 3(43.882 0,65.979 2)、18.695 8(14.973 8,25.534 6)、0.074 6(0.063 3,0.085 4)、0.092 3(0.082 2,0.109 6),正常侧WSS、TAWSS、OSI、RRT分别为15.215 3(9.039 7,25.117 2)、5.138 2(3.373 4,6.139 9)、0.122 7(0.099 7,0.151 2)、0.712 3(0.519 0,0.821 7)。颈内动脉狭窄处的血流速度及血流量分别为1.925 9±0.125 5、4.374 1±0.277 9,正常侧的血流速度及血流量分别为0.992 6±0.074 7、6.190 7±0.260 9。狭窄区域的WSS、TAWSS明显增大,OSI和RRT相对较小,血流速度明显增大,同时伴随较小的血流量,差异均有统计学意义(P<0.05)。结论 颈内动脉狭窄处的血流动力学因素较正常侧发生明显变化,可通过CFD仿真模拟分析方法评估血流动力学因素变化程度,帮助分析颈内动脉狭窄患者的危险程度,辅助临床诊断、治疗及预后评估。

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。

计算流体力学在血管疾病中的研究进展

血管受到各种生物应力的影响,这些生物应力由流动的血液、管腔内和管腔外的压力以及纵向拉伸载荷决定,血流动力学因素在血管疾病中的病理生理变化中具有重要作用。近些年来,许多研究者认为血流动力学的改变对血管重塑、血管疾病的进展有着十分重要的作用,本文就血流动力学的基本概念以及其在血管疾病中的进展和作用行综述,并探究基于影像学的计算流体力学的相关进展和在血管疾病中的应用;计算流体力学作为一种数值模拟方法,近年来在血管疾病的研究中取得了显著的进展。计算流体力学当前在血管疾病研究中的优势和挑战,并展望了未来的研究方向,强调了在预测疾病发展、指导临床治疗方案等方面的潜在应用价值。这些研究成果为深入理解血管疾病的发病机制和临床治疗提供了有力支持。

旋风炉空气动力学和烟气再循环数值模拟

旋风炉作为一种液态排渣炉,其空气动力学特性与煤粉炉存在显著差异,目前尚缺乏可有效指导旋风炉设计和运行的计算流体动力学(CFD)模型。对此,开发了一种旋风炉CFD数值模型,该模型通过渣层煤粒捕集模型将熔融渣层对煤粒的捕集作用结合在模型中。将该模型应用于某550 MW机组旋风炉的空气动力学特性和烟气再循环(FGR)优化设计研究。研究表明,旋风筒产生的强旋流场使炉内流场分布极不均匀,导致了炉内局部高温和水平烟道入口的严重结渣问题。因此,FGR喷口应根据炉内的不均匀流场和温度分布进行针对性设计,以有效消除炉内的局部高温区域。模拟计算和现场实施结果表明,通过FGR优化设计,炉膛局部高温和严重结渣问题得到了有效缓解。

迷宫滴头水力特性的计算流体动力学模拟

建立了迷宫滴头的CFD(ComputationalFluidDynamics)数值模型,并对滴头的压力流量关系、流道内部的压力和流速分布进行了数值模拟计算。利用原型滴头和滴头放大模型实测值对模型和模拟计算结果进行了实验验证。结果表明,滴头流量压力关系模拟计算值与实测值之间的平均偏差小于5%;滴头放大模型内部压力分布的模拟值与实验值间的平均偏差小于3%。结果还表明,迷宫式滴头流道内压力沿流道长度呈线性变化,在滴头齿尖附近的主流区流速达1.6～2.8m/s,而滴头齿根附近的旋流区的流速为0.1～0.4m/s,在其它尺寸保持不变时,滴头齿距对滴头流态指数的影响不大。CFD数值模拟可以为滴头水力性能的进一步研究提供有效的研究手段。

叶轮机计算流体动力学技术现状与发展趋势

通过对 863高负荷风扇、2 0 0MW汽轮机组改进、组合压气机改进和轴流大小叶片压气机的研制 ,说明了全三维定常CFD技术在我国叶轮机研究中的作用 ,并指出了当前的主要问题 ;通过对风扇 -吊架干扰 ,单级压气机和处理机匣的研究 ,说明了非定常CFD技术对叶轮机气动力学研究的作用和价值。结合上述全三维定常和非定常CFD应用的实例 ,论述了我国叶轮机CFD技术面临的挑战 ,及其发展趋势。

轿车空调风道的计算流体动力学分析

本文利用三维不可压缩流体的k-ε湍流模型,借助计算流体动力学(CFD)方法,建立了结构复杂的轿车风道模型。以某典型轿车空调系统风道为例,分别在制冷、取暖工况下,对其主体部分的流动特性进行分析,部分分析结果与实验进行了对比。

全射流喷头内部流场计算流体动力学数值模拟

建立了全射流喷头内部流场的CFD数值模型,并对喷头的流量压力关系、喷头附壁情况下附壁点的位置进行了数值模拟计算。CFD计算值与实验测量值对比结果表明,CFD计算得到的3种喷头流量值与实验测量值的平均偏差小于5%,附壁点计算值与实验测量值平均偏差小于5%。说明采用CFD方法能较好地反映喷头的内部流动情况,根据数值模拟最终得到全射流喷头内部流场在直射和附壁状态下的速度矢量图。