易损斑块血流速度的CFD模拟和PIV实验

目的:计算流体动力学(CFD)和粒子图像测速法(PIV)都可以测量流场速度分布,通过对这两种方法的对比研究,为临床评估血流速度分布提供参考。方法:制备3组狭窄程度不同的血管仿体,分别在PIV硬件平台采集超声图像计算PIV实验结果,同时将PIV实验过程中的实验条件作为CFD模拟方法的边界初始条件,进行数值模拟获取CFD模拟的结果。最后将这两种方法得到的实验结果进行对比研究。结果:在30%狭窄程度较低的斑块仿体中,CFD与PIV实验结果相符,而在50%和70%狭窄程度的斑块仿体中,CFD和PIV实验结果相差较大。结论:PIV和CFD都可以用于流场血流速度的计算,但是CFD更适用于低速度流场的计算。     

PIV和CFD在搅拌桨设计和优化中的应用

综述了激光粒子图像速度场仪(PIV)和计算流体力学(CFD)技术在搅拌桨设计和优化中的应用,阐述了PIV的实验测量基本原理及从平面PIV向三维PIV的发展趋势。目前,CFD数值模拟方法主要集中在雷诺平均方法(RANS)和大涡模拟方法(LES),而直接数值模拟方法由于物性模型精度以及计算量等原因尚难以工程化直接应用。通过CFD数值模拟方法和PIV实验方法验证,探究搅拌槽式反应器中速度场、剪切场、湍流动能耗散速率场等微观信息,进一步可以得到循环流量、平均剪切速率、搅拌功率、混合时间等宏观信息,这些结果将有助于对搅拌反应器中的流动与混合过程的深入剖析。随着高性能计算技术的发展,CFD数值模拟方法将会得到更大的应用,其与先进的三维PIV技术的耦合,将成为搅拌反应器设计与优化的重要方法。     

结晶器流场模拟计算与结构优化

数值模拟是有效研究大型工业设备内部流场的手段。本文采用多重参考系和湍流标准kε模型对结晶器内部流场进行描述。利用激光粒子测速仪（PIV）测量的实验室小型搅拌槽的实验数据对计算模型进行了验证,结果表明计算模型可以有效预测搅拌设备内部的流场分布,并在此基础上研究了搅拌桨安装位置及运行参数对流场的分布影响,优化了结晶器的结构与运行参数为：搅拌桨安装高度1 000 mm,导流筒柱段长度2 000 mm,搅拌经济转速70~80 r/min。     

溢流口结构对水力旋流器性能影响的模拟分析

以工业用428 mm水力旋流器为研究对象,采用计算流体力学（CFD）技术对旋流器内流场和颗粒分级效率进行了数值模拟研究,对所建立的模型进行了验证,并在数值模拟的结果上分析了溢流口结构,包括溢流口直径、插入深度和溢流口的壁厚对水力旋流器性能的影响。重点考察了溢流口结构变化对旋流器内空气柱、压力降、分流比和分级效率的影响。模拟结果表明,溢流口结构变化对水力旋流器的性能会产生重大影响,计算所得最佳溢流口尺寸为：直径180 mm,插入深度168 mm,壁厚2 mm。     

颈动脉血管分叉模型内流场分布的PIV测量和数值模拟比较研究

目的:通过对比分析颈动脉血管分叉模型内流场分布的数值模拟计算和粒子成像测速(partide imaging velocimetry,PIV)法量的结果,为今后流场分布的描述选择相适应的方法提供科学依据.方法:分别应用数值模拟方法和PIV定量检测方法,对颈动脉血管分叉模型颈内动脉窦(internal carotid artery sinus,ICAS)区域流场进行模拟计算和实际测量.得到边壁切应力(wall shear stress,WSS)的分布情况.对两种方法得到的结果进行对比统计学分析.结果:从切应力总体分布变化趋势看数字模拟方法与PIV测量计算结果大体一致,但数字模拟方法得到的低切应力核心区域的范围比PIV测量计算得到的范围要小,并且数字模拟方法得到的切应力的绝对值大小比PIV测量计算的数值要大.结论:在反映局部流场分布趋势的时侯.应用数值模拟方法更为简单、方便,但若需要详尽的描述局部流场切应力的分布情况,PIV测量方法则为首选.     

鼻腔计算机流体力学模拟及与鼻声反射和鼻阻力计相关研究

目的 建立计算机流体力学（CFD）模型模拟平静呼吸状态下正常鼻腔形态和鼻腔内部流动,与鼻声反射和鼻阻力计测量进行对照分析。方法 对志愿者鼻腔行CT扫描,通过Simplant 10.0建立完整的鼻气道三维模型,利用Gambit 2.3.16网格划分后,用Fluent 6.3.2模拟不同流量下的鼻腔内部流体力学。将经CFD模型提取和计算的鼻腔冠状位截面积和鼻腔压降数据与鼻声反射和鼻阻力计的测量结果进行比较。结果 CFD模型鼻腔冠状位面积与鼻声反射测量数据,在距前鼻孔30 mm内两者的拟合度高,在距前鼻孔50 mm外则后者大于前者。CFD模型计算各流量下鼻腔压降变化与鼻阻力计测量得到的压力 流量分布曲线的变化趋势一致,但压降值前者小于后者。结论 CFD模型能精确反映鼻腔形态,准确计算鼻腔内部的流场数据。与以往测量手段相比较,CFD模型能更加直观且详细地表现鼻腔内部流体力学。     

导向叶片结构对气液旋流器性能的影响研究

借助CFD软件,采用雷诺应力模型和DPM模型对某新型轴流导叶式旋流器内气液两相流场进行了数值模拟,通过对具有不同结构参数导向叶片的旋流器流场进行建模分析,得到了导叶结构参数对旋流器流场速度分布、分离效率及能量损耗的影响规律。结果表明:轴流导叶时旋流器流场分布对称,减小导叶出口角及增大导叶扭转角都能增大分离区切向速度,提高分离效率,且增大扭转角效果更加明显,但同时两者都使压降线性增大。     

计算流体力学(CFD)模拟机械通气时下气道气流流场特性的方法及其可行性研究

目的 探索计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）技术模拟机械通气状态下呼吸系统内部气流流动的可行性,为CFD技术应用于机械通气的气流流场模拟奠定基础。方法 选取1名健康的中年男性志愿者进行头颈部加胸部MRI扫描,将获得的图像保存为DICOM格式导入Mimics17.0医学图像软件中构建气道三维模型,用Geomagic Studio 12软件进行网格划分后导入Ansys 14.5软件进行CFD模拟计算,对机械通气气道内部气流流场变化进行动态分析。结果 基于MRI图像数据构建气道三维模型,划分网格后对CFD模拟施加不同流速的入口边界条件,分析流速分布、壁压力分布、流场线变化情况以及局部管壁剪切应力的变化情况。结论 基于影像数据对气道进行三维重建,通过对模型进行CFD模拟发现,入口流速与气道内流体流速分布、壁剪切应力及壁压力均呈正相关,入口高流速易在气道分叉处形成涡流。     

鼻腔计算机流体力学模拟及与鼻声反射和鼻阻力计相关研究

目的 建立计算机流体力学(CFD)模型模拟平静呼吸状态下正常鼻腔形态和鼻腔内部流动,与鼻声反射和鼻阻力计测量进行对照分析.方法 对志愿者鼻腔行CT扫描,通过Simplant 10.0建立完整的鼻气道三维模型,利用Gambit 2.3.16网格划分后,用Fluent 6.3.2模拟不同流量下的鼻腔内部流体力学.将经CFD模型提取和计算的鼻腔冠状位截面积和鼻腔压降数据与鼻声反射和鼻阻力计的测量结果进行比较.结果 CFD模型鼻腔冠状位面积与鼻声反射测量数据,在距前鼻孔30 mm内两者的拟合度高,在距前鼻孔50 mm外则后者大于前者.CFD模型计算各流量下鼻腔压降变化与鼻阻力计测量得到的压力-流量分布曲线的变化趋势一致,但压降值前者小于后者.结论 CFD模型能精确反映鼻腔形态,准确计算鼻腔内部的流场数据.与以往测量手段相比较,CFD模型能更加直观且详细地表现鼻腔内部流体力学.     

基于不同湍流模型的离心泵叶轮内部流场分析

基于计算流体力学数值模拟技术,对一个低比转速离心泵叶轮内部流场流动情况进行分析研究。分别采用4种湍流模型：标准k ε模型、RNG k ε模型、Realizable k ε模型和雷诺应力模型（RSM）及SIMPLE 算法,对不同湍流模型及不同工况下的扬程预测曲线,比较计算时间的差别,在此基础上,比较不同模型在设计工况下的流场,并与实验结果进行了对比分析。     

基于超声粒子图像测速技术的大鼠动脉二维血流速度测量

目的动脉粥样硬化及血栓的形成与动脉管腔内的血流动力学参数变化密切相关。然而,目前普遍应用的超声多普勒成
像技术不能精确测量复杂血流流场信息。二维的动脉血流速度场能为心血管疾病提供重要的临床信息。方法应用超声粒子
图像测速技术,通过B型超声记录超声造影剂粒子图像,获得二维血管全流场的信息。本研究使用5组大鼠数据,计算其左侧颈
动脉的全场血流速度分布,统计3个心动周期的血流速度并与超声多普勒测速方法的结果对比。结果和结论实验结果表明,超
声粒子成像技术测速结果与超声多普勒测速结果相似。超声粒子图像测速方法的结果较超声多普勒的方法结果偏小,平均血
流速度、峰值速度误差为2%~8%和5%~10%。两种测速方法经t检验（P>0.05）无显著的统计学差异。超声粒子图像测速技术
能够无创、实时评估全流场血流动力学变化情况,通过测速可区分不同分组的大鼠。它为进一步探讨狭窄血管中复杂多变的血
流场提供新的影像学方法。
     

局部狭窄血管远心端流场数值模拟和PIV测定

目的观察局部狭窄远心端的流场分布,以便探讨动脉粥样硬化好发区的流场特征。方法数值模拟局部狭窄远心端流场以及剪切应力的分布,粒子图象速度场仪(PIV)测定局部狭窄远心端流场分布。结果数值模拟结果表明局部狭窄远心端流场紊乱,有明显的涡流和二次流形成,并且形成局部的低剪切应力区域,PIV测定的结果证实局部狭窄远心端流场紊乱。结论局部狭窄远心端的流场分布及其特征有利于动脉粥样硬化病变的形成和发展。     

电除尘器烟道内气流分布的数值模拟

运用计算流体动力学(CFD)对电除尘器烟道内的气流分布进行数值模拟计算。在中试模型试验的基础上,分别采用Gambit、ICEM CFD软件进行网格划分以及CFX、Fluent求解器进行数值求解。模拟结果表明：无论有无导向板,数值模拟计算结果都与工厂试验结果吻合较好,其计算结果可用于指导试验模型以及电厂实际装置中导向板的调整,从而达到烟道内气流分布均匀的效果。     

心肌桥对冠状动脉血流量的影响

目的研究心肌桥对壁冠状动脉血流量的影响。方法利用心肌桥模拟装置,建立壁冠状动脉受压迫状态的圆形收缩模型,并进行心肌桥在收缩期到舒张期影响壁冠状动脉血流量的数值模拟,用有限元软件CFD对数值进行模拟分析。结果在血管狭窄部位血流主要为高速层流,随压迫程度增大,高速层流区流速加快。在同一心率、同一血压范围内,流速随着收缩程度的增大而加快。结论心肌桥对冠状动脉压力和流量的影响与其对冠状动脉的压迫程度和频率有关。     

冠状动脉局部血流动力学参数分析及斑块预警研究

目的探讨应用计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）技术构建个体化正常人冠状动脉血流动力学模型的方法,探索冠脉局部血流动力学参数分布情况及各参数与冠状动脉粥样硬化病变的关系。方法以CT图像为基础进行冠状动脉三维几何建模,构建个体化冠状动脉血流动力学模型,对正常人体左冠状动脉前降支局部进行数值模拟,应用有限体积法进行血流数值模拟。结果获得个体化正常左冠状动脉前降支血管树模型及血流动力学参数,数值模拟结果包括冠状动脉的血液流场、壁面压力（wall pressure,WP）、壁面切应力（wall shear stress,WSS）分布,可见各参数呈不规则分布,在血管弯曲分叉部位靠近管壁处血流明显减速、血管发出分支区域出现高WP、WSS分布,而这些区域的对侧血管壁对应不均匀的低WP、WSS分布。结论以CT图像为基础的数值模拟技术可以重建个体化冠状动脉血流动力学模型,为分析血流动力学参数与冠状动脉粥样硬化形成的关系提供研究手段。     

螺带螺杆搅拌釜中高黏流体的CFD模拟计算

高黏聚合体系的搅拌混合应用广泛,是聚合物合成工业中的关键,但采用实验方法难以得到其流场。应用ANSYS CFX软件模拟计算高黏聚苯乙烯溶液体系在不同螺带螺杆组合搅拌釜中的流场特征,分别采用不同的计算流场模型进行求解,其中搅拌釜气液两相界面采用与实际情况较为接近的自由液面,旋转区域采用滑移网格法处理,液相采用不同黏度的高分子黏性流体,计算比较了不同搅拌桨组合下的流场特征,论证了双螺带螺杆搅拌桨在高黏流体混合中的优越性,同时得到不同黏度和不同转速下搅拌釜内的液面形状、速度场和搅拌功率,为实际生产及工业优化提供了理论参考。     

顶端动脉瘤的血流动力学数值模拟切应力分析

目的:探讨顶端动脉瘤的血流动力学特点,分析动脉瘤的生长、破裂的可能机制。方法:采用计算流体力学（CFD）软件结合顶端动脉瘤的医学影像,对动脉瘤内血液流动数值模拟切应力进行分析。 结果:0~0.22 T时,血管内血流速度急剧上升到最大值;0.22~0.55 T时,从最大值急剧下降到初始值。切应力随血流速度变化,在0.22 T时动脉瘤颈部切应力值最大,0.55 T时最小,而在这两时刻,动脉瘤壁不存在切应力。 结论:切应力由血流冲击造成,其大小与血流速度变化一致。CFD数值模拟是一种反映动脉瘤血流动力学较好的方法,为动脉瘤的病理生理机制和临床治疗提供较好的帮助。     

后负荷对Sarns2000离心泵溶血情况的影响

目的探讨离心泵后负荷压力对血液破坏的影响。方法采用计算流体仿真(CFD),实现Sarns2000离心血泵的数值分析。对比分析该泵有后负荷工况和空载状态时泵内液体流速、压力、剪切力的差异。结果在1 400 r/min转速下,有后负荷时流速降低,泵的流量降低。泵内压力增大,溶血破坏增加;但剪切力大于150 Pa的区域小于0.000 032%,对溶血的控制较好。结论后负荷压力会导致Sarns2000离心泵内溶血破坏的概率增加,但不会出现因剪切力导致大量溶血的问题。