本发明专利技术提供了一种基于能量耗散的溶血经验预测方法及装置，首先建立了一种基于能量耗散的溶血经验预测模型，根据所建立的模型进行溶血预测。所述溶血经验预测方法包括以下步骤：前期CFD(计算流体力学)计算准备工作；计算平均流能量耗散和湍动能耗散；定义溶血标量，计算溶血标量方程的源项；耦合CFD计算迭代求解溶血量。溶血预测装置包括：CFD计算前期准备模块、能量耗散计算模块、计算溶血源项模块、溶血求解模块。本发明专利技术提供的预测方法及装置，建立了能量耗散和血液损伤的定量关系，更符合物理实际；结果相较以往采用雷诺应力的计算结果低一个数量级以上，避免了以往模型高估湍流中溶血量的缺陷，做到了溶血的定量、定性估计。
【技术实现步骤摘要】
一种基于能量耗散的溶血经验预测方法及装置
本专利技术涉及一种基于能量耗散的溶血经验预测方法及装置，属于生物医学工程人工器官
技术介绍
溶血是指血红细胞破裂，血红蛋白释放到血浆中的过程。在涉及到血液循环的人工器官中，如心室辅助装置(VAD)中，流场中会产生很高的非生理性剪切应力，由此导致的溶血问题一直是业内所关注的焦点。在心室辅助装置的研发过程中，计算流体力学(CFD)模拟结合溶血经验预测模型已被广泛用于预测溶血量，辅助血液相容性设计。目前主流的溶血预测模型认为溶血量与等效剪切应力和暴露时间t呈指数关系：其中，HI(％)或D表示溶血指数；表示等效剪切应力，是标量,可以由应力张量算得；Hb表示血红蛋白的总浓度；hb表示血浆中游离血红蛋白的增加；C,α和β是经验常数，一般通过溶血实验数据拟合而得到。等效剪切应力τeff由应力张量降阶计算得到，在层流中的形式简单明了，在复杂的湍流中则难以估算。通常的做法是采用雷诺应力估算湍流剪切应力。雷诺应力是N-S动量方程时间平均之后产生的一个未封闭项，代表了所有尺度速度脉动的平均动量通量。从这个意义上讲，它是数学公式变换的一个产物，虽然具有应力的量纲，但不是物理意义上的力，也不能完全表征血细胞所处的力学环境。之前的研究证实，雷诺应力用于预测湍流中的溶血量误差较大，大大高估了溶血量。湍流最显著的特征是能量传递，即能量从大尺度的含能运动传递到小漩涡中，而更小的漩涡将湍动能通过摩擦的转化成热，这个过程称作能量耗散。血液损伤本质上可以视作流场中能量传递和耗散中的一环：流场中的一部分能量耗散掉了，作用于血红细胞上，造成了血液损伤。从这个意义上讲，能量耗散比N-S方程数学变换的产物雷诺应力更适合用来估算溶血。尽管如此，目前溶血和能量耗散之间的定量关系仍是空白。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了改善溶血经验预测的精度，辅助血液循环人工器官的血液相容性。本专利技术从能量耗散的角度提出了溶血经验快速预测模型及硬件，来统一计算所有流动状态(层流、过渡流和湍流)中的溶血；相较传统以应力为基础的溶血预测模型，其对于湍流的溶血预测结果降低了一个数量级以上，与实验结果更加吻合，大大改善了湍流中溶血预测的精度；同时降低了对计算机硬件的要求，使溶血计算更容易实现。本专利技术的一种基于能量耗散的溶血经验预测方法，可通过湍流预测的RANS方法(ReynoldsAveragedNavier-Stokes,雷诺平均方法)如k-ε、k-ω等模型，或LES方法(Large-eddysimulation,大涡模拟方法)模拟湍动能耗散，与平均流能量耗散相加即可得到总的能量耗散，因而适用于各种流动机制；新模型本身更具有物理意义，即溶血本身即是流场中能量耗散的直接产物。假设血液是单相流、牛顿流体，则动量方程可以由下式给出其中U为速度向量；f表示体积力；τ表示瞬时剪切应力，其表达式为：τ＝2μS(3)其中μ表示动力粘度；S为应变率张量，表达为：按照雷诺分解原理，速度张量U可以拆分成平均分量<U>和波动分量u,U＝<U>+u(5)其中尖括号代表时间平均，因此雷诺方程可以表示为：其中<τ>表示平均剪切应力，来自于脉动速度场的动量交换，通常称作雷诺应力。因雷诺应力未知，因此雷诺方程是不封闭的。主流的湍流模拟方法通过涡粘假设来模拟雷诺应力.τt＝2μtS，(7)μt是湍流粘度，其形式和求解方法因湍流模型而异。以往计算有效剪切应力的常用做法是平均剪应力加上雷诺应力：τeff＝<τ>+τt(8)应力张量τ需要转化为标量等效剪切应力来计算溶血。标量计算的形式很多，已有研究证明具体公式的选择对溶血的数值影响很小。本课题使用Jones的公式，用二阶张量τ的内积：我们将(1)、(9)式定义的溶血模型称为RSB(Reynolds-stress-based,基于雷诺应力的)模型。本专利技术所述基于能量耗散的溶血模型的建立步骤如下。按照雷诺分解原理，应变率张量S可以拆分成平均分量〈S〉和波动分量s，其表达式为：二阶应变率张量S的范数表达式为：应力张量τ的范数表达式为：取τ的平方后再取其内积平均值，表达式为：<τ2>＝<||τ||2>＝2μ2<<S>：<S>+2<S>：s+s：s>＝2μ2(<S>：<S>+<s：s>)(13)有效剪切应力τeff的表达式为：湍流中平均动能的方程式为：其中变＝U·U/2是每单位质量流体的动能，Ti＝(Uip-2UjSij)/ρ,εvis和εturb分别表示平均流量耗散和湍动能耗散，两者的理论定义表达式为：εvis＝2μ<S>：<S>/ρ(16)εturb＝2μ<s：s>/ρ(17)其中ρ表示血液密度，两者单位为W/m3,代表分别由平均流动的黏性效应和湍流脉动效应引起的单位时间单位体积的能量损失。εturb的精确计算只有通过湍流的直接数值模拟才有可能获得，计算量极大，实际的湍流工程计算中往往采用湍流模型来模拟εturb。本方法基于湍流模拟的RANS或LES方法，εturb可通过主流的湍流模型如RANSk-ε、k-ω模型或LESWALE模型计算得到。总的能量耗散ε的表达式为：ε＝εturb+εvis＝2μ<S>：<S>/ρ+εturb(18)将总的能量耗散ε的表达式带入有效剪切应力τeff的表达式中得：将式(19)代入(1)式，指数模型可以表示成：HI(％)＝c(εμβ)α/2tβ(20)即本专利技术的以能量耗散为基础的EDB(energy-dissipation-based)溶血预测模型。一种基于能量耗散的溶血经验预测方法，具体包括以下步骤：S101：前期CFD计算准备工作对计算域进行空间离散，划分计算网格，设置边界条件；S102：计算平均流能量耗散和湍动能耗散采用湍流模型模拟雷诺方程中的未封闭项，进行CFD模拟得到流场信息，计算出湍动能和湍动能耗散εturb，平均流能量耗散εvis则可以直接由平均变形率张量<S>计算得到，见公式(16)，则总的能量耗散ε为：ε＝εvis+εturb＝2μ(<S>：<S>)/ρ+εturbS103：建立溶血量和能量耗散的关系，定义溶血标量方程溶血量HI(％)和能量耗散的关系为指数关系：HI(％)＝c(εμρ)α/2tβ溶血量的标量输运方程采用欧拉方法进行求解，令标量hb′＝hb1/β，则溶血模型可以改写为标量输运方程：源项Se定义为Se＝(Hb·c·(εμρ)α/2)1/βS104：耦合CFD计算迭代求解溶血量采用不可压缩的CFD计算程序，加入溶血计算的标量方程，耦合流场的CFD计算进行溶血量的求解。一种基于能量本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于能量耗散的溶血经验预测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S101：前期CFD计算准备工作对计算域进行空间离散，划分计算网格，设置边界条件；S102：计算平均流能量耗散和湍动能耗散采用湍流模型模拟雷诺方程中的未封闭项，进行CFD模拟得到流场信息，计算出湍动能和湍动能耗散εturb，平均流能量耗散εvis则可以直接由平均变形率张量<S>计算得到εvis＝2μ<S>：<S>/ρ其中μ表示动力粘度，ρ表示血液密度，则总的能量耗散ε为ε＝εvis+εturb＝2μ(<S>：<S>)/ρ+εturbS103：建立溶血量和能量耗散的关系，定义溶血标量方程溶血量HI(％)和能量耗散的关系为指数关系：
【技术特征摘要】
1.一种基于能量耗散的溶血经验预测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S101：前期CFD计算准备工作对计算域进行空间离散，划分计算网格，设置边界条件；S102：计算平均流能量耗散和湍动能耗散采用湍流模型模拟雷诺方程中的未封闭项，进行CFD模拟得到流场信息，计算出湍动能和湍动能耗散εturb，平均流能量耗散εvis则可以直接由平均变形率张量<S>计算得到εvis＝2μ<S>：<S>/ρ其中μ表示动力粘度，ρ表示血液密度，则总的能量耗散ε为ε＝εvis+εturb＝2μ(<S>：<S>)/ρ+εturbS103：建立溶血量和能量耗散的关系，定义溶血标量方程溶血量HI(％)和能量耗散的关系为指数关系：该指数关系即为基于能量耗散的溶血模型，其中c，α和β是经验常数；溶血量的标量输运方程采用欧拉方法进行求解，令标量hb′＝hb1/β，则溶血模型可以改写为标量输运方程：源项S...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴鹏，边玉成，吴思齐，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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