复杂动脉血管中血液流动的数值研究

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血液流动作为一种特殊的流体流动,它仍然满足流体力学中的三大基本定律,即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。而不可压缩的Navier-Stokes方程就成为研究血液流动规律的理论基础。我们推导了它在柱坐标系下的流函数—涡量形式,同时也推导了管壁切应力的更一般的表达形式。对血液流动问题进行数值计算的第一步就是要对血液流动的场所(动脉血管)进行网格划分,而生成网格的好坏对于流场的计算起着关键性的作用。对此我们给出了H.J.Thompson等人提出的椭圆型微分方程生成网格的方法,并为此在VisualC++6.0的环境下编制了网格生成的程序。 除了网格剖分对流场的计算起着关键性的作用外,控制方程的离散格式也很重要。在第四章中我们对控制方程采用了时间向前、空间中心差分的格式。为了保证该格式的有效性,我们对控制方程的离散格式进行了相容性、收敛性以及稳定性分析,得到了程序计算过程中的每一步时间步长的取值范围。并根据给出的计算步骤,编制了计算程序,同时验证了该计算程序是可靠的。在数值研究过程中,为了研究血管几何参数对血液流动的影响,我们建立了局部狭窄、局部扩张、狭窄锥缩以及狭窄后扩张的血管模型。研究了或是定常层流或是脉动层流又或是接近生理情况的生理脉动层流在这些模型中流动的情况,主要给出了管壁切应力分布和流线图,并详细分析了雷诺数(Re)、斯特劳哈尔斯数(St)、狭窄高度或扩张高度对管壁切应力分布的影响。 最后我们对数值结果的可视化问题进行了研究,特别是等值线图的生成,并编制了相应的生成程序。在附录2中我们给出了等值线生成的主程序。
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