文摘
湍流脉动的血流通过狭窄的动脉考虑墙的弹性特性数值研究。在数值模型验证标准- - - - - -模型和提高- - - - - -使用模型。相比之下,RNG- - - - - -模型中,标准的- - - - - -与以前的实验结果和模型显示更好的协议能够更好地展示了回流区域。同时,与实验数据相比较,结果表明,70%狭窄,狭窄80%的流动是层流,流动变得动荡。还假设层流或湍流和刚性或弹性墙,结果互相比较。调查时均剪切应力和振荡剪切指数为80%狭窄表明假设层流比假设刚性墙会导致更多的错误。结果还表明,在紊流和层流相比,假设一个灵活的动脉壁的重要性不仅仅是假设僵化的动脉壁。
1。介绍
动脉粥样硬化是一种疾病,特点是斑块的形成,使得动脉管腔狭窄。冠状动脉的缩小可以阻止血液的灌注心肌的较低部分,可能导致心肌缺血、心肌梗死、心脏猝死(1]。
研究这种疾病的原因和进展,除了传统的方法在预测和评估疾病的医学进步,计算流体动力学用于检查血液动力学的作用在定位、开发和动脉粥样硬化疾病的进展。同时与血流动力学研究中,一些研究人员专注于动脉壁的建模和检验动脉壁压力之间的关系和血管壁疾病(2- - - - - -4]。
最近,研究人员非常关注生物系统的流-固耦合的影响,尤其是心血管。他们相信,同时解决流固将大大有助于更好地理解动脉疾病的模式(5,6]。
例如,洗澡和卡姆(7)模拟了层流脉动的流体通过一个灵活的动脉狭窄用ADINA软件。他们认为减少51%和96%的狭窄区域和评估和比较了压降和周向应力动脉在不同的时间。他们还研究了雷诺数对压降的影响。
唐et al。8)数值研究了层流与对称的灵活的颈动脉狭窄使用艾迪娜软件。他们的研究结果表明,严重狭窄导致临界流负压和高、低剪切应力可能导致动脉压缩,斑块破裂,血小板激活和动脉血栓形成。
虽然在这些研究动脉壁的灵活性一直认为,他们忽略了狭窄造成的动荡。事实上,血流动脉通常是层流。然而,中度或重度狭窄可能导致湍流的脉管系统(9]。更好的理解流和流poststenotic地区动荡可能导致更精确的诊断方法(10]。动荡的血流由于动脉狭窄一直是研究[11]。
许多实验研究已经进行研究稳定湍流(12- - - - - -14]。Deshpande和吉登斯13]研究了通过一个狭窄的管75%稳定的紊流雷诺数从5000年到15000年由激光多普勒风速计(LDA)。艾哈迈德和吉登斯14)测量了稳定速度场的存在与刚性墙的LDA对称狭窄。雷诺数的范围是500 - 2000年在上游的狭窄和狭窄的25岁,50岁和75%减少面积进行了研究。
由于执行实验测试的困难,只有少数实验研究非定常湍流的狭窄的存在。
艾哈迈德和吉登斯15)测量脉动流场的LDA的对称狭窄。他们认为正弦速度剖面,Womersley数量的7.5,狭窄的25岁,50岁和75%面积缩小,平均雷诺数600进行测试。
这些实验研究表明,即使在狭窄的比例低,瞬态或可能发生紊流。上述实验数据被用于评估数值建模方法内部的湍流流动。另一方面由于湍流计算是困难和耗时的,很少有计算研究中的湍流脉动的动脉狭窄。例如,使用有限元软件FIDAP Ghalichi et al。16]研究了瞬态湍流通过50%,75%和85%狭窄的模型的雷诺数范围500到2000。他们的研究结果表明,层流模型高估了涡长度当流过渡或动荡。
银行和Bressloff [17)建模脉动的湍流在狭窄的颈动脉分叉的三维模型。流利的软件被用于解决控制方程。三种类型的狭窄(轻微、中等和严重),以及湍流强度和湍流粘性的影响速度资料进行了研究。
自壁弹性性质和生理脉冲在这些研究并不认为是边界条件,在目前研究湍流通过狭窄的动脉血液流动模型数值模拟考虑固耦合(FSI)使用艾迪娜8.8。起初湍流的影响血液流动时剪切应力的变化和振荡剪切指数为80%狭窄了。然后结果与假设的结果层流和刚性壁冠状动脉。
2。控制方程
2.1。Reynolds-Averaged n - s方程(跑)18]
在非定常湍流流动,如果我们认为每个参数之和平均分量和一个振荡分量navier - stokes方程,然后得到了方程如下:
2.2。湍流模型(18]
计算本文使用two-equation动荡- - - - - -标准和- - - - - -RNG模型。在湍流流场,粘度是定义如下,层流粘性,湍流粘度: 在- - - - - -标准湍流模型,计算如下: 在哪里湍流动能和吗是湍流耗散率。
3所示。数值验证
检查我们的数值解的精度,数值结果与实验结果相比现在的工作由艾哈迈德和吉登斯15)和银行提供的数值结果,Bressloff [17)和Varghese弗兰克尔(19]。
如果我们考虑在狭窄的中心坐标的原点,目前工作的数值结果与实验结果相比,提出的艾哈迈德和吉登斯15)和银行提供的数值结果和Bressloff17)和Varghese弗兰克尔(19)在两种不同距离的狭窄下游和最大速度。数据的结果1和2显示一个更好的协议的数值数据的处理结果艾哈迈德和吉登斯15比银行的数值结果和Bressloff []17)和数值Varghese和弗兰克尔(19]。
结果表明之间的一致性更高- - - - - -标准模型和实验结果。结果,- - - - - -标准模型被用于这项研究。
4所示。现在的工作和使用的数值方法
在这项研究中冠状动脉用一个简单的模型,用灵活的墙被认为是对称的狭窄。计算域及其尺寸如图3。
狭窄的几何定义如下(21]: 在哪里是健康的动脉的半径,动脉狭窄区域的半径,在狭窄动脉半径的喉咙,狭窄的中心的位置,然后呢是狭窄的长度。血液作为牛顿的特点,不可压缩流体和动脉壁的特点给出了表1(21]。
右冠状动脉的跳动的速度剖面作为入口边界条件(20.]。图4显示了跳动的速度剖面的无量纲的悸动的周期,,这是0.8秒。
固耦合(FSI)条件用于流体和固体的共同边界。固液耦合问题的控制方程如下(21]: 在哪里,,位移、应力张量和法向量。固体域的控制方程如下(21]: 在哪里是墙上的密度,柯西应力张量,是身体力矢量,是墙位移矢量。
研究固液耦合问题的时候,我们应该运用血压脉搏输出条件的问题。这些脉冲得到的实验条件,如图5(21]。
轴向速度概要文件的距离从狭窄的喉咙中三种类型的啮合图所示6。结果表明,10200个计算细胞的结果和15300年计算细胞相互一致。因此,为减少计算时间,10200个计算细胞将被用于计算。
5。结果
比较平均进口压力()狭窄百分比为30%,50%,70%,80%在图7。可以看到,70%的狭窄,是一个很好的实验结果之间的一致性(21)和层流假设表明,高达70%的狭窄,流动是层流。将从70%提高到80%,实验结果之间的差异和层流假设增加,有一个更高的实验结果之间的一致性和湍流流动的假设表明,80%狭窄越高,流紊流和层流假设是不合适了。意味着80%的狭窄入口压力的情况下层流假设是102.4毫米汞柱,在湍流情况下是105毫米汞柱,在实验情况下是104.8毫米汞柱。鉴于以上,我们选择80%狭窄和执行下一步的计算。
数据8来15显示timed-averaged剪切应力的变化和振荡剪切指数80%的狭窄的轴向层流或紊流的假设和刚性或柔性壁的假设。时间上的剪切应力和振荡剪切指数等血流动力学参数用于确定区域容易发生动脉硬化。
振荡剪切指数(OSI)是一个机械参数流振荡显示墙的偏差主要方向的剪应力在心动周期血液流动。OSI值范围从0(没有改变壁面切应力的方向)到0.5(对于一个180度变化壁面切应力的方向)(22]。确定OSI值,使用以下方程: 时均剪切速率的定义如下: 在上面的方程中,心动周期的周期性和吗是剪切应力向量。
数据是清楚的8来11,通过改变柔性模式的刚性井壁模式以及从层流假设湍流的假设,prestenotic地区时均剪切应力略有增加。近端肩膀地区,时间上剪切应力显著增加,在远端肩膀和poststenotic地区,时间上剪切应力进一步降低。这减少剪应力增加活性氧的生产实际上增加了氧化内膜的检测。氧化检测刺激内皮细胞表达白细胞粘附分子如血管细胞粘附molecule-1 (VCAM-1)和细胞间粘附molecule-1 (ICAM-1)。因此,血小板粘附在内皮和激活是可能的,在一个区域剪切应力很低。激活血小板释放生长因子如TGF -β。TGF -β显著增强平滑肌细胞的增殖(23]。研究也表明,激活血小板释放MMP-2介导进一步血小板聚集(24]。因此poststenotic不仅容易开发斑块面积和新斑块形成,但也更倾向于血栓形成的发展。血管造影研究表明,斑块发展poststenotic地区发生更25)和平滑肌细胞的数量远的肩膀是远远超过近端(26]。
从数据可以看出12来15有两座山峰为简单的狭窄。在简单的狭窄,第一峰值显示流动分离点和第二个峰值代表了回贴。小值时均剪切应力和高值的振荡剪切指数都影响细胞分泌导致细胞增加位移和增加细胞间连接的离解从而增加低密度脂蛋白粒子在墙上的渗透性(27- - - - - -29日]。邓等人的实验结果。30.)也显示高胆固醇的吸收流回贴。另一件事可以看到数据12来15是刚性的动脉壁模式和灵活的动脉壁模式,通过改变层流假设湍流流动的假设,振荡区域的长度高度降低。这表明,在高百分比的狭窄使用任何血流动力学参数,平均剪切应力和振荡剪切指数来描述疾病的发展,不考虑湍流行为可以导致大的数值误差。
弗莱(31日)表示,剪切应力超过40 Pa造成内皮细胞损害。Ramstack et al。32)表示,剪切应力大于100 Pa引起内皮细胞的分离和血栓形成。根据引用的内容(31日,32)和数字8- - - - - -11可以看出,在80%的狭窄与层流假设,内皮细胞操作损坏。然而,在80%的狭窄假设湍流,鉴于最大应力大于100 Pa,血栓形成。因此忽略湍流可以做出不同的变化预测损失。我们可以看到数据8到15湍流的影响最大时间上的剪切应力墙上狭窄和回流区是比假设灵活的墙更重要。可以从图的结果16是墙位移与湍流的假设比层流假设。此外,由于低血压,动脉壁位移狭窄比前面的狭窄的动脉壁位移在后面。
图17显示动脉压力在轴向方向上的变化对于简单的狭窄狭窄的最大流量时为80%。从图可以看出17,从灵活的刚性墙的近端狭窄的压力将会增加。此外,改变从层流到湍流的近端狭窄的压力将会增加。低血压的湍流模式高于层流模式和刚性壁动脉模式高于柔性壁动脉因为更高的剪切应力沿动脉,从而增加整个动脉低血压。另一个结果从图17前面的狭窄,刚性和柔性模式的压差低于的狭窄。原因是,减少压力,减少动脉壁的位移和动脉壁变得更接近僵化的模式。
数据18来20.比较在圆周压力时间变化在不同的点为80%狭窄。可以看到,与湍流的假设相比,层流假设显示了动脉壁低周向应力。最大周向应力与prestenotic区,因为根据图17,墙上的压力施加在狭窄较高。最低周向应力狭窄相关峰值,因为根据图17突然,有一个压降由于严重的调整。另一个结果从数据18来20.在狭窄的层流假设显示周向应力峰值低于湍流的假设。
数据21来24概要文件的轴向速度最大时流量(0.24秒),在距离等于之前的直径狭窄,狭窄,初喉咙,和一个简单的poststenotic 80%狭窄。由于轴向速度概要文件也如预期的湍流比层流假设,假设得到奉承和刚性墙模式进一步演示了最大轴向速度。图23显示速度资料的喉咙简单的狭窄。结果表明,最大速度达到一个值远高于1米/秒。这个值超出正常的生物模式,可能会导致血液循环系统的干扰。同时,我们可以看到在图24,在狭窄的喉狭窄相比,最大速度是降低和层流假设和湍流的假设在墙的附近预测反向流动。然而,层流高估了反向流动和显示了回流区大这是显而易见的,因为液体低能量,很快脱离表面。换句话说,使用层流假设更广泛区域的狭窄暴露在疾病和使用湍流假设斑块的增长速度较高。
在数据25- - - - - -28分布的压力、剪切应力和和轴向速度沿动脉分别显示。看到,最小压力和最大轴向速度发生在狭窄的喉咙。在狭窄的远端通过减少速度,压力增加,图17还展示了这一点。通过远离狭窄区域和减少的影响缩小开放流动截面的压力线性减少。血从动脉壁剪切应力,对数据所示26和27。由于高相似性动荡和FSI案例研究轮廓由其他案例研究,其他情况下的轮廓被忽视了。最小的截面可以看到从图26突然,剪切应力增加,狭窄的喉咙后立即减少严重甚至是负值。然后在回流区域剪切应力增加了温和的斜率和再次给予了积极的价值保持不变,直到结束的动脉。从数据可以看出26和27之间的差异在动脉壁剪切应力最大和最小流量非常高,几乎和11.6倍,在其他时候心动周期,剪切应力在动脉壁连续变化。这些频繁变化的内表面动脉可以导致斑块破裂,引起严重的痉挛和血栓的形成和发展的动脉。根据图28、最小轴向速度−0.1261 m / s,年底发生狭窄和最大轴向速度是2.503米/秒,发生在狭窄的喉咙。
6。结论
利用ADINA软件和考虑弹性壁和生理脉冲作为边界条件,本文评估血流通过右冠状动脉局部狭窄。与其他数字作品相比,- - - - - -标准模型有更好的一致性与实验工作,并能更好地显示回流区域。因此,我们使用了- - - - - -标准湍流模型来解决目前的湍流数值工作。在目前的工作,80%的狭窄的平均进口压力层流假设得到102.4和105湍流的假设得到了比其他实验工作为104.8。这表明,80%的狭窄,湍流流动。因此,示例狭窄狭窄被选为80%。湍流的影响血液流动压降和检查速度概要文件。获得的结果进行了比较与层流假设和刚性的冠状动脉壁。对严格的动脉壁和灵活的动脉壁,通过改变从层流假设湍流的假设,振荡区域的长度就低得多。这表明在高百分比的狭窄使用任何血流动力学参数的平均剪切应力和振荡剪切指数来描述疾病如何传播,不考虑湍流行为会导致大的数值误差。目前工作的另一个结果是,在80%的狭窄,僵化的动脉壁的假设使较小的误差相对于层流血液流动的假设。
利益冲突
作者声明没有财务或个人关系的人或组织,不适当地影响这项工作。