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基于计算流体力学技术制定甲醛意外泄漏应急预案基本要求
为了对制定甲醛意外泄漏应急救援预案提出基本要求,并为开展职业病危害评价提供依据,运用基于计算流体力学技术的Fluent软件,选择某木业公司制胶车间40吨甲醛储罐厂房为研究对象,对该厂房甲醛储罐意外泄漏扩散规律进行仿真模拟,预测甲醛突发性泄漏时扩散的程度和范围.结果表明,在甲醛储罐厂房门窗封闭良好、无通风的条件下,甲醛气体泄漏后扩散的浓度和扩散的范围均与泄漏时间有密切关系,在员工活动区,当泄漏发生3～4 min时,空气中甲醛浓度在0.4 mg/m3,但泄漏至5 min时,甲醛浓度可迅速达到10 mg/m3以上.提示一旦发生甲醛泄漏事件,时间是实施紧急处置措施的关键点,在不具备有效的个体防护装备以及不能确保不发生燃烧爆炸情况下,所有员工必须在3～4 min内立即撤离事故现场,确保人身安全.因此,在制定该工作场所甲醛意外泄漏应急预案时,预警时间至关重要,并以此为基础提出相关救援措施,以保证应急预案的实用性和可操作性.
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微型轴流式血泵叶轮的结构优化设计和流场有限元计算分析
微型轴流式血泵被广泛运用于短期心脏循环辅助,其重要指标是转速、扬程、流量和流场分布.采用计算流体力学方法对血泵流场进行了数值模拟,得到血泵的扬程和流场分布,验证得出:传统升力法不能满足要求.为此提出了两种新型的轴流血泵DAVa和DAVb,叶轮数4,外径18mm,内径6.3mm,长度21mm,从轮毂到轮缘径向5个均匀分布的截面分别采用NACA10-NACA6翼型,相邻切面的安装角差为内切面翼型安装角的1/3和1/2.流体计算结果:随着轮毂处安装角从50°增加到80°,DAVb的扬程均大于DAVa,DAVb扬程平缓增加,DAVa则在80°处有一个突增;DAVa的脱流和湍流、径向流都明显小于DAVb.由此得出,轴流泵的扬程和叶轮安装角成正比关系,采用较为合适的叶轮扭转度有利于减小湍流、尾流和径向流等不稳定流场损耗现象.
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人工心脏泵辅助对左心室血流动力学影响的数值研究
目的：采用数值模拟方法研究人工心脏辅助装置植入对左心室内血流动力学的影响。方法首先利用心血管集中参数模型获取了健康状态、心衰状态以及人工心脏泵辅助状态下收缩末期左心室三维几何模型，其中选取超弹性材料 Ogden 为心肌材料，以左心房压力，主动脉压力以及通过左心室容积计算获取的左心室壁面位移作为边界条件，利用 CFD 方法对上述三种情况进行左心室的数值模拟。同时对比了健康时的模拟结果和生理状态下的左心室压力，以及心衰和人工心脏泵辅助两种状态下的血流动力学指标的差别。通过左心室压力和流速等评价灌注和负荷的情况，通过壁面切应力和涡流，评价人工心脏泵辅助后的左心室血流动力学变化规律。结果健康状态下模拟的左心室压力与生理指标相符合。在心衰和人工心脏泵辅助状态下，收缩期内左心室压力与健康状态比分别降低了1718 Pa和8455 Pa，辅助后左心室大压力下降速度高于心衰时。人工心脏泵辅助后，舒张期壁面切应力峰值由4.3 Pa 降低至3.8 Pa，收缩期壁面切应力峰值由4.1 Pa 降低至1.3 Pa，射血速度峰值由1.61 m / s 降低至0.68 m / s，主动脉瓣开放时间由0.25 s 增加至0.65 s，左室射血分数由43.6%增加至52.7%，心室底端漩涡持续时间由0.35 s 增加至0.51 s，顶端漩涡出现血流分离。结论左心室压力对比表明本研究方法可以用来模拟左心室的行为。人工心脏泵辅助能够快速降低心室内压力和心室负荷，增加灌注时间，提高器官灌注，降低左心室壁面切应力以及提高左心室内血液流场的涡流强度，延长涡流持续时间。
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具不同狭窄-吻合口位置关系的冠状动脉搭桥术的血流动力学仿真分析
目的 通过有限元仿真探索带有辅助搭桥血管模式的冠状动脉搭桥术中,辅助搭桥管吻合口与冠状动脉狭窄处之间的距离对该吻合口及其下游区域的血流动力学影响,为带有辅助搭桥管的新型冠状动脉搭桥术的临床应用提供理论指导.方法 利用有限元分析方法,假定血液为不可压缩牛顿流体,建立3种搭桥血管模型,其冠状动脉上吻合口和狭窄的距离分别为0.0045 m、0.006 m和0.009 m.通过仿真结果考察不同模型中的血流速度、壁面切应力等参数的变化.结果 吻合口与狭窄处之间的距离不同,冠状动脉血管内的血流动力学参数也不相同.速度方面,心动周期0.09 s时刻L1.5模型中吻合口足跟处轴向截面的大速度约为0.54 m/s,同时刻L2和L3模型中其大速度分别为0.45 m/s和0.37 m/s.壁丽切应力方面,0.09 s时刻,L1.5模型中吻合口对应面的血管壁上其流动停滞点距离吻合口足跟仅为0.0024 m,同时刻L2和L3模型中其流动停滞点距离足跟处分别为0.0039 m和0.0068 m,长度明显增加.其他时刻流动停滞点分布有相同趋势.结论 在实施冠状动脉搭桥术时,吻合口与狭窄处之间保持较大的距离,有利于改善吻合口处的血流动力学环境,降低吻合口处发生再狭窄的可能性.
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不同冠脉后负荷下竞争流对左乳内动脉桥血流动力学影响
目的 研究冠状动脉在不同后负荷条件下,冠脉搭桥手术后竞争流对左乳内动脉(leftinternal mammary artery,LIMA)血流动力学影响.方法 模拟LIMA到前降支(left anterior descending,LAD)搭桥手术三维模型(three-dimensional,3D),建立与冠脉模型相对应的集中参数模型(lumped parameter model,LPM,0D),为其提供1倍和1.2倍两种不同后负荷的边界条件,同时在LAD主干处设置了25％、40％、50％、60％、75％5种不同直径狭窄程度,使用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)耦合计算冠脉3D模型和0D模型,从血流动力学角度分析不同后负荷时竞争流对LIMA的影响.结果 1倍后负荷时,LAD总流量约为80 mL/min,随狭窄率增加,RC/G从2.025减小到0.280,LIMA平均血流量从26.598 mL/min增加到62.310 mL/min,震荡剪切指数(oscillatory shear index,OSI)从0.1557减小到0.0020,狭窄率小于50％时,时间平均壁面切应力(time-average wall shear stress,TAWSS)低于1Pa;1.2倍后负荷模型中,LAD总流量为71 mL/min,随狭窄率增加,RC/G从2.222减小到0.289,LIMA平均血流量从22.188 mL/min增加到54.810 mL/min,OSI从0.1790降低到0.0024,狭窄率小于60％时TAWSS低于1 Pa.后负荷改变时,相同狭窄程度下桥血管在收缩期血流量变化很小,但舒张期流量随后负荷增大而减小.结论 当冠脉后负荷较大时,竞争流强度偏大.当血管管径和狭窄程度都相同时,后负荷大的患者LIMA桥血管会因偏低的WSS和较高的OSI更容易引起“线性征”,降低桥血管远期通透性.
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基于局部相关性的磁共振相位对比成像和计算流体力学的对比方法
目的 磁共振相位对比成像方法 (phase contrast magnetic resonance imaging,PC MRI)和计算流体力学方法(computational fluid dynamics,CFD)作为研究血管内流场的两种重要方法,它们之间的对比具有重要的意义.前人的研究多聚焦于两种方法所得的速度矢量大小的相对比较,而缺乏对二者结果 中速度矢量的分布规律的比较.本文提出了一种基于局部相关性的对比方法,以实现定量比较PC MRI和CFD方法结果中速度矢量大小的分布规律.方法通过PC MRI扫描9名健康志愿者左右颈内动脉血管,并进行个性化的CFD计算,分别用这两种方法得到的速度数据重建颈内动脉虹吸弯处的血流速度矢量场.引入速度大小的局部相关性参数,计算出两种方法结果的相对误差和局部相关性来比较两种方法速度矢量大小和速度分布规律,以实现定量比较.结果相对误差在靠近血管壁和虹吸弯部较大,在靠近血管中心处较小;局部相关性和相对误差的分布大体相反,但在某些流速较小、相对误差较大的位置,相关性并不低.结论 基于局部相关性的对比方法,可以定量比较PC MRI和CFD结果中的速度分布,反映速度分布的相似性或差异,可作为PC MRI和CFD对比研究中的一项重要指标.
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集卵搅拌器的数值模拟与试验研究北京生物医学工程
目的 粪便检查对于疾病的诊断意义重大.针对传统手工操作引起的检验结果误差较大,本文研制了一种集卵标本盒.方法 首先利用计算流体力学软件Fluent,采用滑移网格法和Realizable k-ε湍流模型对自行研制的集卵搅拌标本盒内不同的搅拌电压进行了数值模拟,并对比试验研究,发现数值模拟和试验研究的结果总体趋势吻合;然后改进搅拌器的形式,再对标本盒内不同形状的搅拌器进行了数值模似.通过搅拌器的流线、固体颗粒分布、监测点速度和搅拌功率等指标,评价标本盒内各种搅拌器的搅拌效果.结果 研究结果表明,当采用5V电压时,梨形搅拌器提高了采样区的浓度,标本盒内搅拌效果较好,符合标本盒内搅拌的要求.结论 该研究将在临床检验方面具有良好的应用性.
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左前降支冠状动脉瘤搭桥手术血流动力学研究
目的 采用计算流体力学方法 ,研究大隐静脉(saphenous vein graft,SVG)与左乳内动脉(left internal mammary artery,LIMA)分别作为移植管搭桥手术旷置与结扎冠脉瘤(coronary artery aneurysm,CAA)时移植管的血流动力学,并以此为根据探讨冠脉瘤搭桥手术移植管的选择与冠脉瘤的结扎与否,为临床手术提供可靠帮助.方法首先分别构建SVG和LIMA搭桥旷置冠脉瘤手术模型、SVG和LIMA搭桥结扎冠脉瘤手术三维模型(three-dimensional model,3D Model)4个模型.然后在建立集中参数模型(lumped parameter model,LPM,zero-dimensional,0D)的基础上,采用几何多尺度方法,将0D集中参数模型与3D冠脉模型耦合计算.研究SVG和LIMA为移植管时流量、壁面切应力(wall shear stress,WSS)、振荡剪切指数(oscillatory shear index,OSI)血流动力学参数.结果 不同手术术式左前降支总流量基本相同,约为82 mL/min.OSI:模型1为0.014044、模型2为0.283494、模型3为0.013035、模型4为0.023263.一个周期内平均WSS:模型1为0.4745 Pa、模型2为0.8600 Pa、模型3为0.4424 Pa、模型4为1.699 Pa.结论 当采用SVG桥时,冠脉瘤旷置与结扎两种方式都有较好的手术效果;当采用LIMA桥时,结扎冠脉瘤有较好的手术效果.旷置冠脉瘤移植管会因高OSI与竞争流较高、桥流量不足导致较不利的血流动力学环境,从而影响手术预期效果.
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基于CFD的液悬浮人工心脏泵叶轮入口优化分析
目的 应用计算流体动力学方法(computational fluid dynamics,CFD)对离心式双向液力悬浮人工心脏血泵流场进行仿真分析,通过改进叶轮入口结构来改善血液在血泵的流动状态,从而提升其抗溶血性能.方法 从影响血泵溶血性能的角度考虑,基于N-S方程和k-ε标准双方程湍流模型,应用软件FLUENT6.3对离心式人工心脏血泵流场进行数值模拟,分析在设计工况下,叶轮入口处的结构变化对泵内流场的影响,以及流场中大速度与溶血水平之间的关系,并根据流场分析结果对血泵叶轮入口进行优化.结果 经过优化,血泵内流场紊乱现象得到改善,影响溶血值的切应力和曝光时间均有所降低,溶血性能得到改善.同时,对于离心式双向液力悬浮血泵,在设计工况下,其流场中大速度有作为流场优化过程中的直观指标参数的潜力.结论 该研究的仿真分析可为离心式双向液力悬浮人工心脏的设计积累一定经验.
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弹簧圈栓塞治疗脑动脉瘤的血流动力学数值模拟研究现状
弹簧圈栓塞术是目前普遍应用的脑动脉瘤治疗手段,近年来关于脑动脉瘤血流动力学数值模拟研究逐渐深入.基于医学图像的数值模拟在脑动脉瘤的诊断、治疗方面具有很大的潜力.文章首先介绍了影响脑动脉瘤栓塞术的血流动力学参数、计算流体力学方法,然后对比分析了多种弹簧圈栓塞脑动脉瘤的数值模拟方法.多数研究者采用了简化的方法,如采用牛顿血液模型、刚性或非刚性血管壁、定常流环境及弹簧圈的等效模拟等方法,这些方法得出的结果与采用流固耦合方法、脉动流、非牛顿血流模型及真实弹簧圈模型得出的结果存在差异.后对弹簧圈栓塞治疗脑动脉瘤血流动力学研究进行了总结和展望.
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上矢状窦旁桥静脉的解剖及其血流动力学数值模拟
目的 通过对上矢状窦旁桥静脉的血流动力学数值模拟,为脑静脉血栓形成发病机制的解释和影像学诊断提供形态学证据.方法 对6例(12侧)上矢状窦和颈内静脉灌注蓝色乳胶的成人头颅湿标本进行观测,测量各支桥静脉的直径及其注入上矢状窦的角度;利用解剖数据,应用计算流体力学分析软件Fluent,建立上矢状窦旁桥静脉的血流动力学模型,对不同模型的壁面剪切力进行比较分析.结果 上矢状窦旁桥静脉共计137支,分为前后两组,其中后组桥静脉的直径较大,注入上矢状窦的角度较小.共建立模型137个,桥静脉直径>1.2mm、65°≤注入角度<105°时,注入处下游上矢状窦壁壁面剪切力下降明显;桥静脉直径>1.2 mm、注入角度<65°时,注入处下游上矢状窦壁和注入处上游桥静脉壁壁面剪切力下降明显,桥静脉壁壁面剪切力低值为上矢状窦壁上的63%.与前段组桥静脉模型相比较,后段组模型上矢状窦壁和桥静脉壁壁面剪切力低值较小,距注入处较远.结论 桥静脉直径>1.2mm,且注入角度<65°时,血管壁面剪切力急剧下降,脑静脉血栓形成容易发生.血栓好发于上矢状窦后段的注入处上游桥静脉壁.
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基于溶血性能的离心式旋转血泵设计
溶血性能是衡量血泵性能的一个重要指标.基于平均剪切应力模型,通过减少红细胞流经叶轮的时间和降低它在此过程中所受平均剪切应力的方法,对离心血泵进行设计,进而改善溶血性能.采用商用流体仿真软件Fluent,对血泵内的三维不可压湍流流场进行数值模拟,得到红细胞在血泵内的流动迹线和流动参数;应用溶血估算公式,分析不同流量下血泵的溶血性能,计算得到溶血估算值在0.006-0.015之间,有较好的溶血性能,满足血泵对溶血性能的要求.
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运用三维数值模拟对人工心脏轴流血泵的设计和改进
目的 设计、开发在性能上能满足左心室辅助要求的轴流式心脏辅助泵.方法 使用Numeca软件和运用现代叶轮机设计技术对人工心脏轴流血泵的内部流场情况进行数值模拟,对局部的回流、倒流和涡流现象进行改进,根据终的数值模拟结果对流道和叶型进行设计.然后,对外轴承方案也进行数值模拟.结果 通过Numeca软件的数值模拟后改进,大大抑制了轴流泵内部的混乱流动,改善了流动状况,提高了轴流泵的血液相容性.对外轴承方案进行初步的数值模拟结果表明,随着机匣扩展角的增加,倒流现象逐渐得到抑制,流动情况得到改善.结论 本研究应用Numeca软件和现代叶轮机设计技术开发设计的轴流泵,在流体力学性能和血液相容性能上达到了左心室心脏泵的辅助要求.具有创新性的外轴承方案值得进一步探索.
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后置导轮对人工轴流心脏泵的影响分析
后置导轮在人工轴流心脏泵工作过程中具有至关重要的作用,为了研究其对心脏泵的影响,利用计算流体力学(CFD)的方法,详细分析了后置导轮对人工轴流心脏泵工作情况的影响.通过对轴流心脏泵内整个流场的数值模拟,讨论了引入后置导轮后,轴流心脏泵的压强增量、效率、工作情况以及流体受力等重要参数的变化.计算结果表明:引入合适的后置导轮能够改善流场分布,限制出流的速度方向,提供足够的静压增量,有利于传输血液,同时基本保持了泵的效率不降低.因此,在人工轴流心脏泵设计过程中引入后置导轮是必要的,但需要对后置导轮的参数进行严格的分析.
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基于CFD的左心室流场数值模拟研究现状与趋势
随着计算技术的快速发展,计算流体力学在心脏血流流场模拟中得到广泛应用,取得了有价值的相关成果,在心脏功能的研究中扮演着越来越重要的角色.目前,运用计算流体力学实现心脏流体动力学特性及其流场数值模拟分析,已成为心血管基础和临床研究领域的一个重要研究方向,对心血管系统疾病预防、临床诊断和治疗具有重要意义.简述基于CFD的左心室流场数值模拟方法的发展过程、研究现状和方法分类,分析基于CFD的左心室流场数值模拟计算存在的主要问题,提出该研究领域未来的发展方向.
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冠脉支架内再狭窄的血流动力学研究进展
冠脉支架术后再狭窄是严重且高发的医学事件.局部血流动力学因素,特别是壁面剪切应力(WSS),对冠脉粥样硬化斑块的形成、发展和不均匀性有着重要的影响.近的基础和临床在体研究表明,WSS也可能与支架内再狭窄的发生有关.从支架内再狭窄的形成机制出发,分析冠脉支架后的力学环境对再狭窄的作用机制,详细阐述近年基于计算流体力学(CFD)方法的冠脉支架内再狭窄的血流动力学研究进展.
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应用CFD对人工血泵流场进行数值仿真
发展人工心脏以便在某些情况下代替心脏进行供血已成为医学界的普遍要求.血泵研制和改进中所面临的主要难点之一是血液在血泵中的流动分离等复杂流动情况,对人工血泵中血液的流体动力分析是发展先进人工血泵的前提.本文应用计算机求解三维Navier-Stokes方程,对某型血泵叶片通道间内部流场进行了数值仿真.研究分析结果表明,血泵中流体具有非常复杂的流动情况.为避免流动中分离造成流体升压比下降和血细胞破坏,对通道的进口和小叶片的安放位置以及叶片高度的变化都提出了很高的要求.充分应用计算流体力学的发展来推动人工血泵的研究具有非常广阔的前景.
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计算机软件与冠脉CT相结合在冠脉血流动力学中的应用
动脉粥样硬化是严重威胁人类身体健康的疾病,而血流动力学因素也在其中起了重要的作用.如何计算血流动力学指标也成为目前临床上研究的热点,多年来都无法在无创方式下测量血流动力学指标.随着计算机技术的进展,通过MIMICS软件,ANSYS软件与冠脉CT结合已能够计算血流动力学各项指标.目前,应用CFD结合医学影像学资料的方法,可以更为准确的获取在体血管的流体力学参数,有助于更为深入的研究流体力学与动脉粥样硬化形成、斑块进展的关系.计算流体力学技术结合冠脉CT能够提供更为真实的可视化数据,有助于更好的理解和评估局部流体力学状态与动脉粥样硬化发生、斑块进展的关系.
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流体力学数值模拟在冠脉旁路手术中的应用
冠心病严重威胁人类健康,冠状动脉旁路手术是有效治疗手段.目前对冠脉旁路手术后再狭窄问题认识不充分,随着计算流体力学的发展,通过建立冠脉旁路手术数值模型的方法对其血流动力学进行研究正在成为研究热点.建立完善的数值模型同时也为冠脉旁路手术的数字化进程奠定基础.
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FW-2心室辅助泵管道内流场的CFD分析和PIV实验研究
目的：分别采用计算流体力学（CFD）和粒子成像测速（PIV）方法分析、测试FW-2心室辅助泵出、入口管道内的血液流动情况，评价FW-2配套管道的血液相容性性能。
