基于LBM-FEM分区耦合算法的血流-主动脉瓣相互作用高效数值模拟研究

研究人员针对血流-主动脉瓣相互作用(FSI)模拟中薄壁结构数值不稳定的难题，提出了一种新型LBM-FEM分区弱耦合算法。通过界面力预测技术和广义-α隐式时间积分，实现了4倍计算效率提升，成功应用于脉动血流与人工主动脉瓣的相互作用模拟，为心血管生物力学研究提供了高效稳定的数值工具。

　　

心血管疾病是全球致死率最高的疾病之一，其中主动脉瓣病变的病理机制研究长期受限于复杂的流固耦合作用。传统数值模拟方法在模拟薄壁瓣膜与血流相互作用时，面临着数值不稳定、计算效率低下等瓶颈问题。特别是当瓣膜密度接近血液密度时，显式时间积分方法会因CFL条件限制导致时间步长过小，而强耦合算法虽能保证稳定性却需消耗大量计算资源。这些技术瓶颈严重制约了心血管生物力学研究的深入开展。

针对这一挑战，国内某研究机构的研究人员开发了一种创新的LBM-FEM分区弱耦合算法。该研究通过结合格子玻尔兹曼方法(LBM)的流体动力学优势与有限元方法(FEM)的结构分析能力，构建了高效稳定的血流-主动脉瓣相互作用模拟框架。相关成果发表在《Computers in Biology and Medicine》期刊，为解决心血管流固耦合模拟的稳定性与效率矛盾提供了新思路。

研究团队采用了三项关键技术：基于浸入边界法(IBM)的流固耦合界面处理、广义-α隐式时间积分算法保证结构计算稳定性，以及创新的界面力预测技术替代传统子迭代过程。这些方法协同作用，使算法在保持精度的同时显著提升计算效率。

2. 有限元固体力学方法
采用总拉格朗日公式处理非线性大变形，引入超弹性Neo-Hookean材料模型模拟瓣膜的橡胶类行为。通过广义-α方法稳定Newmark隐式时间积分，克服了显式方法的时间步长限制，允许采用与流体求解器同步的时间步长。

3. 流体求解的LBM-LES模型
采用D3Q19格子离散模型，结合Smagorinsky涡粘模型(LES)捕捉湍流效应。通过BGK碰撞模型和Hermite多项式展开稳定技术，增强了薄壁结构附近流场的计算稳定性。

5. 新型弱耦合算法设计
创新性地提出界面力预测技术替代传统子迭代：先通过近似强耦合系统预估界面力场，再应用至结构求解，最后用更新后的结构状态作为流体边界条件。这种"预测-校正"策略在保证精度的同时避免了耗时的子迭代过程。

6.1 三维拍动旗帜验证
在Re=200条件下，模拟结果与文献数据高度吻合：初始平置旗帜振幅A/L=0.744，斯特劳哈尔数St=0.258；初始倾斜配置结果分别为0.755和0.25。广义-α参数(α=0.05)有效抑制了高频数值振荡，同时保持主要动力学特征。

6.2 脉动血流通过主动脉瓣
模拟完整心动周期中瓣膜开闭过程，峰值雷诺数Re≈2800。计算结果成功捕捉到瓣叶接触动力学和窦涡形成等关键流体力学现象，计算效率较传统强耦合方法提升近4倍。接触力模型(刚度系数k_c=0.1 N/mm)有效处理了瓣叶闭合时的自接触问题。

该研究建立的LBM-FEM弱耦合框架突破了薄壁结构流固耦合模拟的效率瓶颈，其创新性体现在三个方面：首先，界面力预测技术在不牺牲精度的前提下大幅减少计算耗时；其次，广义-α隐式积分允许使用与流体求解器匹配的时间步长；最后，LES湍流模型与稳定化LBM的结合增强了复杂流动的捕捉能力。这些技术进步为心血管植入物设计、病理机制研究等生物医学应用提供了高效可靠的数值实验平台。特别值得注意的是，该方法在保持分区耦合灵活性的同时，通过物理信息预测技术达到了接近强耦合的数值稳定性，这种技术路线对多物理场耦合问题的算法设计具有普适性参考价值。