非牛顿Casson流体在狭窄分叉动脉中流固耦合作用的欧拉-拉格朗日数值模拟研究

《Results in Engineering》：Fluid-Structure Interaction of Non-Newtonian Casson Fluid Bifurcated Stenosed Artery using Eulerian-Lagrangian approach

　　

摘要专业翻译： 本研究采用正则化Casson流变学模型，构建了狭窄分叉动脉的瞬态流固耦合（FSI）模型。研究系统探讨了雷诺数（Re）、宾汉数（Bn）及磁阻效应对动脉血流和血管壁变形的影响。结果表明：无量纲最大壁面剪切应力（WSS）随雷诺数（Re）增大而减小，随宾汉数（Bn）增大而增大；随着磁阻参数（Ha）增大，血流速度降低，无量纲最大壁面剪切应力（WSS）减小，而压降增大。此外，研究还开展了共轭传热分析，考察了不同流动条件下的温度分布及努塞尔数（Nusselt number）变化规律。

论文解读文章：

一、研究背景与问题提出

动脉狭窄是一种以血管管腔变窄为特征的病理状态，会显著改变血管内的正常血流动力学环境。管腔面积的减小导致血液在狭窄区域加速流动、压力梯度增大，并引起壁面剪切应力（WSS）的显著变化。在分叉动脉中，上述效应更为复杂：入流血液分流至子分支，狭窄几何与血流分配之间的相互作用决定了最终的血流动力学响应。现有研究已表明，血管壁的顺应性对血流速度分布、压力变化及壁面应力特征具有重要影响，刚性壁假设可能高估或低估关键血流动力学参数。此外，血液因红细胞的存在、变形及聚集而表现出复杂的非牛顿流变特性，在狭窄区域及分叉处剪切率变化显著，恒定黏度假设不再适用。尽管已有研究分别考察了非牛顿流变学、弹性壁相互作用、磁力作用或共轭传热等机制，但在统一的瞬态流固耦合框架内，系统比较雷诺数（Re）、宾汉数（Bn）与磁阻参数（Ha）各自独立效应的研究仍较为有限。这一研究空白构成了本研究的核心动机。

二、研究内容与主要结论

研究人员开发了一种耦合数值模型，模拟脉动Casson流体在具有可变形壁面和热输运的理想化狭窄分叉动脉中的流动。Casson本构行为采用Papanastasiou正则化方法实现，流体与壁面运动通过双向流固耦合（FSI）格式耦合。研究的主要目标是系统区分雷诺数（Re）、宾汉数（Bn）及无量纲磁控参数（Ha）对速度场、壁面变形、壁面剪切应力（WSS）及压降的影响。热输运作为耦合响应，通过温度分布与努塞尔数（Nusselt number）特征加以考察。

研究结果表明：无量纲最大壁面剪切应力（WSS）随雷诺数（Re）增大而减小，随宾汉数（Bn）增大而增大；磁阻增大导致流速降低、最大无量纲壁面剪切应力（WSS）减小、压降增大。该研究的意义在于提供了一个受控的计算框架，用以考察流体惯性、非牛顿屈服应力行为及磁阻如何影响狭窄分叉动脉的耦合血流动力学、结构及热响应。

三、关键技术方法概述

研究人员采用了以下主要技术方法：其一，采用正则化Casson本构模型描述血液的剪切依赖黏度与屈服应力效应；其二，采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）格式实现双向流固耦合（FSI），使流体网格适应移动的流固界面；其三，通过无量纲磁控参数（Ha）引入预设的磁阻体力项；其四，采用共轭传热模型耦合流体、结构与热输运过程。计算几何为包含50%狭窄的主血管及两支37°分叉角的子分支，壁厚0.1 cm，特征尺寸h=1 cm。

四、研究结果分述

4.1 雷诺数（Re）效应： 研究表明，随雷诺数增大，流动惯性增强，无量纲最大壁面剪切应力（WSS）呈下降趋势，反映了惯性力对黏性剪切效应的相对削弱。

4.2 宾汉数（Bn）效应： 宾汉数表征非牛顿屈服应力强度，随宾汉数增大，最大无量纲壁面剪切应力（WSS）增大，表明屈服应力增强了对壁面的剪切作用。

4.3 磁阻参数（Ha）效应： 磁阻增大时，洛伦兹类阻力抑制流动，流速降低，最大无量纲壁面剪切应力（WSS）减小，同时压降增大，反映了磁阻对流动的制动效应。

4.4 共轭传热分析： 研究考察了不同流动条件下的温度分布与努塞尔数（Nusselt number）变化，表明壁面变形不仅影响常规血流动力学参数，还影响温度分布与传热特性。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，二维理想化几何及预设的计算材料属性限制了直接的生理学解释，研究结果旨在支持进一步的数值研究而非提供患者特异性的临床预测。研究结论为：在一致的数值条件下，雷诺数（Re）、宾汉数（Bn）与磁阻参数（Ha）对狭窄分叉动脉的耦合血流动力学、结构及热响应具有可区分的独立效应；结合Casson流变学与壁面弹性可提供比简化的牛顿流体及刚性壁假设更全面的狭窄动脉血流表征。