泊肃流体中小球的运动和微血管中细胞流动学的数值模拟

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近年来,红细胞在人体微循环系统中的动力学模拟受到了人们的广泛关注,关于微循环的研究也已成为国内外生物数学、生物物理、生物医学工程界等交叉学科共同重视的热门课题。本文首先用数值方法模拟了刚性小球在不可压缩粘性液体中的运动。通过改变小球的参数(半径、初始位置、密度、压强差以及小球的个数),探讨了各参数对小球运动的影响;然后模拟了不同形状的红细胞穿过狭窄微血管时形状的变化。本文用Navier-Stokes方程来描述不可压缩粘性牛顿液体的运动,利用虚拟域方法将不规则区域转化为规则区域,利用虚拟域-浸入边界法处理可变形粒子(红细胞)在非规则区域内(狭窄微血管)的流动规律。在求解Navier-Stokes方程时,本文在时间方向上采用一阶收敛的算子分离法(scheme)对方程进行化简,用弹簧模型模拟红细胞膜的形变,并通过改变红细胞膜的弹性系数来模拟正常细胞和病变细胞。数值实验结果表明小球的平衡位置远离区域边界,最终聚集在轨道的中心线附近,而且与小球的半径、初始位置、密度、压强差以及小球之间的相互作用力有关。同时可以得到,由于细胞膜表面的流动性,红细胞可以恢复到原来的形状。数值模拟的结果与之前定性研究成果吻合的很好,表明文中采用的方法是行之有效的。
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