18、计算血液动力学：从基础到实践

计算血液动力学：从基础到实践

1. 引言

计算血液动力学是一个极具挑战性的领域。血液动力学主要研究血液从聚集到流动的动态过程，涵盖血液中的湍流和流变学等内容。由于涉及多种复杂且尚未完全理解的现象，研究血液流动是一项极其困难的任务。

利用计算流体动力学（CFD）的一般原理来模拟血液动力学更是难上加难。从几何形状到求解器再到结果，每一个环节的问题和概念都需要仔细评估。例如，模拟大动脉和小动脉中的血液流动可能需要完全不同的模型，因为壁结构等现象会产生不同的影响。心室辅助装置（VAD）的血液流动模拟也依赖于多种现象，如湍流、几何形状、壁面效应或再循环区域。

此外，通量机器的加入让情况变得更加复杂。即使在今天，一些20世纪60年代的二维简化方法仍在用于简化离心泵内流动的复杂动力学。而当以血液作为泵的主要流体时，所有复杂问题便交织在一起。不过，模拟血泵虽然困难，但对于开发和预测原型行为至关重要。

2. 几何形状与域

在计算方法中，首先要理解的是设置应用的几何形状和域。在计算血液动力学中，VAD的域和几何形状有所不同，但又相互补充。

VAD的几何形状是指实体的物理原型，它可以是一个固体域，在模拟中可能会被使用，也可能不被使用。例如，有一个经过测试的几何形状，包含两个整体几何元素，它们都是固体域。固体域有两种用途：一是用于固体模拟，二是在流体模拟中作为与流体的界面。在流体模拟中，需要向软件指明流体所在的位置。以某个VAD几何形状为例，流体域位于叶轮和VAD主体之间。

流体域可以是单一的，也可以是多个的，这取决于模拟旋转叶轮时所采用的计算方法。单一域只有一个参考系，通过引入角动量源来考虑叶轮的旋转。也可以在流体和固