1. 生物力学

 1-1 皮肤温度与血液循环

 

      利用一维弹性管内流动方程对全身的动脉树系统进行建模，分析全身血流和血压的变化，同时建立了全身三维人体传热模型.将一维血流，三维传热以及热调节模型进行藕合计算,可以分析人体在不同热环境下的发汗，颤抖以及皮肤和肌肉的血液灌注率等参数.同时还可以分析不同热环境下衣服的舒适热阻。该模型研究可用于评价人体室内的热舒适性，服装设计以及模拟低温手术设计等。  

 

     

 

           图1-1 不同服装热阻对应的人体皮肤温度

  参考文献： Int J Heat Mass Trans. 2016, Vol. 98: 568-583. 

  

1-     1-2  激光照射与生物组织和血流的相互作用 

        本研究建立了血流-传热-氧传输耦合模型，通过有限元分析考察了激光热疗对肿瘤血管内血流,肿瘤组织内温度和氧分布的变化.假定肿瘤组织血管网与正常血管网并联连接，通过一维模型获得肿瘤和正常组织内的灌注率。激光照射时组织内部产生热量，根据照射深度可确定不同产热量。在获得组织局部温度后，建立了温度变化与血管舒张的模型,从而可以分析激光照射强度对组织血流和氧传输的影响。结果表明，与正常组织内的氧分布相比, 肿瘤组织内的分布呈很大的不均匀性并对血流的变化较敏感。

    参考文献：Computers in Medicine and Biology, Vol. 36 (2006), Issue 12, Pages 1336-1350

       

        1-3  基于个性化数据的血液动力学建模

 Willis环是位于大脑底部的环状血管结构，它的主要作用是向脑部输送富含养分和氧的动脉血。脑组织机能对氧的高消耗性，使大脑严重依赖血流循环，对血管损伤引起的供血不足非常敏感。作为大脑侧枝循环的重要组成部分，研究Willis环血流动力学特性对脑缺血疾病的认识和预防有着非常重要的作用。为了探究Willis环对脑部血流平衡的调节作用，进一步了解短暂性脑缺血发作的形成机理，课题组发展了基于图像的算法，从个性化脑Willis环三维模型中提取表征脑血管结构的长度和管径信息，获得了不同个性化Willis环的一维结构参数，并在此基础上进行了Willis环一维血流动力学的数值研究。同时，还基于计算机图像构建了Willis环体外模型，考察了脑动脉瘤的存在对Willis环血流调节的影响。

图1-3-1 完整结构和前脑动脉缺失Willis环结构

图1-3-2 体外实验装置和Willis环内的流动显示

参考文献：1.母立众，基于个性化Willis环体外模型的脑动脉瘤血流动力学研究，中国科学技术大学，博士论文，2013

          2.姬长金，肾血管性高血压发病机理的血流动力学分析，中国科学技术大学，博士论文，2014

1-4 微循环研究

  越来越多的研究表明，微循环功能可以作为评价心血管和代谢功能的重要指标，发展检测微循环血流方法就成为开发循环系统早期疾病诊断仪器的重要步骤。血管内皮细胞不仅是血液和血管平滑肌细胞之间的屏障，而且是活跃的代谢库、能释放多种血管活性物质，参与机体的凝血、免疫、物质转运和生物活性物质释放等重要的生命活动。

  本研究方向关注血流及内皮功能检测的热分析方法。通过流动和传热有限元分析考察了血流振荡信号对皮肤温度振荡的影响。同时，通过微流动实验，有限元计算以及浸入边界-格子波尔兹曼计算模拟（IB-LBM）分析了红细胞在狭窄，分叉以及渗透性血管内的运动，变形以及血管舒张因子NO的传输，为揭示微循环内血流，血管运动机理奠定了基础。                      

                                                图1-4 单个红细胞通过狭窄血管时的变形和流场

参考文献：

1. 李芬，胡瑞清，山田崇，贺缨，小野直树，基于微流体装置的微血管网内红细胞流动和分布特性的研究，力学学报，2014，Vol 46（1）：1-9

2.  Hu RQ, Li F, Lv JQ, He, Y, Lu DT, Yamada T, and Ono N.,  Microfludic Analysis of Pressure Drop and Flow Behavior in Hypertensive Micro-vessels, Biomedical Microdevices, 2015, Vol. 17, 60:1-9

3. Shen,Z.Y., He,Y., A Lattice Boltzman Method for Simulating the Seperation of Red Blood Cells at Microvascular Bifurcation, Chinese Physics Letters, Vol. 29, No. 2 (2012) 024703-1-024703-4. 

1-5. 包含真实结构血管网的生物组织内流动,传热及氧传输特性模拟

  利用浸入边界法建立了1D毛细血管网与3D组织的流动和换热模型，并模拟了血管网入口压力脉动条件下组织温度的波动变化。进一步分析了热波在组织内传播时的振幅衰减和相位滞后特点，对热波动技术用于微循环检测的局限性作了说明，如适合于低频信号的检测，只能检测皮下浅层微循环，需要高精度的温度检测仪器等。进一步建立了氧在毛细血管网和组织内的耦合传输模型。分析了糖尿病引起的毛细血管网连通性、渗透性以及血红蛋白氧结合能力变化对流动、氧传输的影响。结果表明连通性的破坏使毛细血管网向周围组织供血、供氧的鲁棒性下降；管壁对流体的高渗透和淋巴引流的缺失造成了周围组织压力升高，当组织压力饱和时会引起组织液的滞留和组织水肿；此外利用不同的氧离曲线模型，我们发现糖尿病状况下血红蛋白释氧能力的减弱造成了血浆和组织的氧分压下降，这会进一步加剧了组织的缺氧状况。

---

2018-07-25

2. 沸腾传热过程机理研究

沸腾传热因其高效的换热性能广泛应用于核电领域冷却系统中。沸腾传热是典型的多尺度多物理过程流动传热现象，包含了气泡形成，生长，融合以及脱离等过程。本研究方向希望结合漂移流模型和固气液界面的传热模型考察加热表面特性对沸腾过程的影响，并通过池沸腾可视化实验进行验证。 

参考文献：

 1. He, Y., Shoji, M., and Maruyama, S., “Numerical study of high heat flux pool boiling heat transfer”, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 44(2001), No. 12, pp.2357-2373.

2. 潘丰，贺缨，唐元梁， 加热表面粗糙度对高热流密度沸腾传热影响的多尺度数值模拟， 工程热物理学报，2016

 

1-