[doc] 液体双折射法对动脉分杈部位应力均分布的实验研究

[doc] 液体双折射法对动脉分杈部位应力均分布的实验研究 液体双折射法对动脉分杈部位应力均分布 的实验研究 生物医学学{1990,7(4)l303,307JBiom.. g.’”‘ 流体双折射法对动脉分杈部位 应力场分布的实验研究 龙泉张永富陈瑜海贾有权 (中国医学科学皖生暂医学工程研究所天津戈学) 摘要 本文利用流体双折射诸实验分析了体外动脉分权模型分权处应力场的分布.在稳定流低雷诺数下,动 脉二维分权模型分投处的壁面存在剪应力(T瑚x)变化的极值点.其位置随分流比(Ma/M1)变化有较大 变化而与流速关系不太.动脉分权角度,分流比对分布有较大作再II改变下游阻力可改变M./M. 从而选判改变T附x分布的目的. 关?词t流体双折射最大剪应力动脉分流比 1.前育 动脉粥样硬化是严重威胁人类健康长寿的 心血管疾病之一,而动脉系统的一些特殊部位 (如弯曲和分权处)通常比别的部位更容易受 粥样硬化的损害,是与这些地区的特殊血流动 力学情况分不开的[1,2].有关学者用大量研究 工作来阐明这些动脉特殊部位的血流动力学特 性,但仅提出了一些假设[1—5],认为动脉分权 流遭中剪应力(是指最大剪应力”gI~lRx,下同) 的分布是导致动脉损伤的重要参数之一.血管 内的剪应力分布会影响血流有形成分的运动; 壁面剪应力的特殊分布使物质在动脉内壁的通 透性发生变化,从而导致病变的产生. 为了解动脉分权处中特殊部位的剪应力场 分布,学者们采取了许多方法对其测量和计 算,如KwaagntimC63用数值法解出分权管存 在两个高剪应力区——迎流角附近及转角的下 游.Lutz,P.J.[7]用电化学技术测定了分权处 稳定流场的壁剪应力,但这种间接测量法误差 丰文收勋日期-1.80年6月14H 较大.Cho.Y.T.[8]用测量直管段侧压的变化 来确定应力场分布,它无法得出全场的应力变 化,且在他采用的s.96ram小管中大量应用 测压孔本身就会对流场产生影响.而目前常用 的激光多普勒法对取得壁面参数时存在测量点 离壁面越近就越不准确的缺点由于方法学上 的局限性,对壁面剪应力分布进行精确测量而 不对流场本身进行扰动是很不容易的.为对动 脉分权处的流动应力场有个更清楚的认识,我 们采用实验力学中的一种新方法——流体双折 射法(~1owbire~ringe~ccmethod)来对动 脉分权处的复杂流动作半定量测量. 2.原理与方法 奉实验是把固体光弹性实验方法应用到流 体实验上来,用流体双折射法对两权管(分权 角为45.和90.)及人体腹主动脉的二维分权模 型的分权处流场在稳定流,小雷诺数(1—50) 下的观察与测定.由于本法能直接得出-t-max分 布,所以我们就能对上述三种模型的壁面tmx, 流场中的Wmax的分布及其方向作直接的测定. 所谓流体双折射法,就是利用某种特殊介 《生物医学工程学杂志第7卷 质液体在其受到剪应力的作用下(如流动时) 与固体光弹性材料一样,会出现暂时的双折射 现象【g],在实验中,将流过这种流体的实验段 置于偏振光场下就会观察到明显的干涉条纹, 该条纹的级次(n)与最大剪应变率Ymax成正 比,即有Ym=三n(f一条纹值与测试用液 t 及温度有关,t一模型光传播方向的厚度,实验 中f,t均为常量),而对不可压缩二维流动有 Xma=uYma《(u为常数),则最大剪应力与12 成正比.又对平面泊肃叶流有f=等×—r-(, (Q为平板间总流量,2b是平板间距,Ay为两 被选条纹间距,?n为该被选条纹级次之差,见 图3a),则可很容易由条纹定出模型主管与分 管间流量之比即分流比.另外,与光弹性实验 一 样,此种实验亦可得出系列等倾线,由等倾鼓 图即可得出最大剪应变率Ym的方向分布图. 本实验采用二维有机玻璃分权管模 型图1(a),(b)(c)作为实验段, 实验通过改变转流泵泵率调节流量 (图2a)总流量由转子流量计测量.改变分 流管下游阻力调整分流比(分权管与主管中流 量之比M./M1)采用MillingYellow为流体 介质,在实验条件下它是牛顿流体.该液体在 剪切流及偏振光场下,可观察到明显的应力条 纹采用通用的光弹性实验光路(图2b).在 圊俯振光场下,用普通DF相机拍摄等差线(用 He—Ne激光器做光源),对上述模型不同流速 下拍摄明,暗场两种照片在平面偏振光场 下,绘制三种模型各角度的等倾线图. ng.2fa)Schematicdiagramof%heinvli~.oflow%estsystem. 1,Pump,2,Container,3. Filter. 4.FlowContralValve,5. PlaneBranchModel,6. Ro~ame%er. (b)Opticalsys%em, 1,laser,2, CollimatingLenses,3. Polarizer,4,QuarterWave.Plates, 5,TestChanne1.6, Analyzer,7. Camera. 《q翱医学工程学杂志第7卷 何因素及分流比有关,而与流速关系不大.酸点 附近的ma变化梯度太,对极限a点(直角分 权)剪应力从最大值变为零, 32.在迎流bi点处,对模型I,?出现明 显的应力集中,该壁附近始终处于高剪力状 态,而对模型?则不然,几乎没有应力集中 点,且壁附近压力值也不太.另在流道中还有 明显的零应力点存在. 3.3.改变分权段下游的阻力可改变分流 比,其对流动应力场分布有明显影响(图略). ? c Fig.5.Traced~soclinicsforbirefringenceflow aboutthreemodels. ca)90~degbranchmode1. tb)4s-degbranchmodel. Ec)Y-shapearterialmode1. Fig.B.TrajectoryforMS.S.inabirefringence flow90一degbranchmode1. 管道中零应力点的位置,ma沿壁面的分布及 相应的极值点位置均会随分流比的变化而变 化. 实验得出的另一组结果为三种模型的等倾 线图(图5)及由此得出的?1a,方向分布. 4.讨论 由实验观察到的Tr/l~tx沿壁面变化的极值点 (ai,ci),其位置不随总流量的变化而发生变 化(Q从12L/h至120L/h),因fmax变化的极 值点就是速度在空间变化最大的点,按流动分 离点的定义(dr/dr从正变负或零的点)可知 该点(ai,ci除a点)就是激光多普勒脱离 点,该点的位置与khodadahi.J.M1988c11)用 LDA法测出的脱离点位置基本相同当 改变分权段流动阻力后,分流比发生改变, 可观察到ai,Ci的位置均会发生变化,由此 看出分流比是决定流体应力场的一十重要因 素,而它受流遭几何参数及下游流动阻尼两种 因素影响.可推测在人体虽然血管几何参数是 固定的,但通过对分权动脉下游阻尼的变化可 导致动脉该部位应力场分布的变化.另动脉分 权处迎流角附近存在高剪力区,这与Kwaagn一 一 timeS)的结果基本一致流道分权角度的 变化对ai点处fnm,的分布有一定影嗬,对模型 ?,壁面r-n无明显的突变,迎流角处应力集 中亦不明显,这可能是因为圆弧过渡和特殊造 型所致,对此有待进一步探索由实验得出的 另一组结果——等倾线图可得出垒场主应力方 第4期陈瑜海等流体双折射法对动脉分权部位应力场分布的实验研 究307 向及最大剪应力方向,它将进一步为研究血液 有形成分的运动提供参考. 我们认为流体双折射法对解决动脉特殊管 段的流体动力学问题比其他方法有比较明显的 优点,它简便,可靠,直观,对流动无干扰, 能直接得出全场应力的大小和方向.如对数据 加以处理还可得流场各点的流速分布等力学参 数 动脉粥样硬化形成的力学因素很复杂,本 工作仅就二维刚性模型在分权处稳定流下最大 剪应力场的分布傲了些探索.它将为今后研究 三维复杂问题打下基础. 参考文献 (i)綦海江等.动酵粥样硬化与冠心病1982.P8G一103. (2)一暂茉.生舫藏体力学.北京.科学出版社.1984. (S]y,D.L.Summaryofworkshop3a{ cHefnodymmicmjuryAdv.Exp.Med. BioL19-104:353. ()Cam,C.G.etaI.”Arterialwallshear andDistributionofEarlyAtheromain m4n.?tur~.1989J22311159. (0]l(arino,T.,eta1..ParticleFlewBEhavior mModelsofBranchVessels:IVortices 纽90T-Jun~ions,II.EftectsofBranch— ingAneandDiamEterRatioonFlow Patterns.B~erheology.1971Gr231.& 19822:97. (6)Kwaagnti,M.andHamaro,A.”Numeri- ealStudyofBifurcatingFlowofaViscous nuid”.J.Ph.Sac.Japan.1979146:13G0 [7]I.utz,R.T.,etat”ComparisonofSteady andpalsafileFlowinaDubleBranching Arteria1Models. J.Biomecn.19816:753. (8)Cho,Y.T.,etalExperimentalInves~i- tionofBranchFlewRatioAngleand ReynoldsNumbleEffectsonthePressure andFlewFieldsinArtEJ”ialBranchMo— dels”,,.Biome.E198SIi07225. (9)陈瑜梅等.”}匝体双折射方法爰其在琉场利量中的 应用.实验力学1e8B;3(1):7-13. ~1o3Durelli,A.J.,eta1.”ExperimentalAn— alysisofSlowViscot~sFlowUsingPhoto viscosisyandBubbl铝”,Exp.Med. 1812FAi~/l:1G9—177. [113Khodadah,J.M.,etalU)AMeasurem— antandNumbericalpredlc~ionof~Lllsa— filefaminern0winaPlane90Bifurca tale,J.Om.Er1888J110:129. 308《生物医学工程学杂志》第T卷 ExperimentalInvestigationofMaximumShearStress FieldinPlaneArterialBranchModelsUsing FlowBire置ringenceMethod LongQnanChenYuhaiJiaYouquanZhangYongfu InstituteofBiomedicalEngineering, (ChineseAcademyofMedicalscience) Abstract Inthispaper,theflowbirefring- cncemethodwasusedtodetermine theIocaIdistributionofthemaximum shearstress(MSS)ofthreekindsof planerigidarteriaIbranchmodels (twowithbranchdegrees45.,90 andaY-shapearterialmode1)atIow Raynoldsnumber(below5O).Detailed MSSmeasurementofthesteady flowwascarriedout. Theresultsshowedthattherewas alimitpointofMSSchange0neach ofthreewallsforthreebranchmod— els.withthechangeofratioesofthe branchtomainIttmenflowrate(Br— anchFlowRatioorM3/MI),the positionofthesepointsalsochang— ed.butshowedIittlerelationtothe velocitythroughthetubeintheRe— ynoldsnumberrangeofoartest. It wasthoughtthattheselimitpoints weretheseparatingpointsifthe flowseparationoccurred. Effectof M$/MIandbranchanglewasfound tobesignificantonthelocaIMSS distribution.TheMa/Mlwasobser— vedtobeafunctionoftheresistance againstdownsteam.Therationale suggestedthatinthehumanthelocal djstribution0fMSScouldberoodifled throughchangingtheresistanceof thisarterysystem. KeywordslFlowbireifringence,maximumshearstress,arterialbranchflow ratio