单细胞受剪切流变流固耦合数值模拟分析.pdfVIP

单细胞受剪切流变的流固耦台数值模拟分析 王国斌 001 (北京工业大学机电学院．北京，1 24) 捕要， 细胞流变研究依糟于细胞实验技术的斑展．细胞中流主研究中的实验无法宅成的 可以通过敷值模拟方法分析，而数值模拟分析又依精于细胞模型的建立．在生物力学中基 干连续舟质的流堑分析已经取得丰富的成果，而细胞流主学模拟分析中还不多，特则是单 细胞流变过程的流田耦合模拟分析．因此，本文建立三堆有限元单细胞模拟t采用 a13$y$一efx流田耦合方法成功模拟7单细胞在剪切流中的流动过称和变形情况． 关键词；单细胞剪切变彤流回耦合 物理和数值模型 单层细胞流变实验研究方面，Pablo Fm现的儿学特性和常应变实验，不同应变幅度和 井采用周期荷拽实验柬分析细胞在恒定荷栽作}}i 城变率，来探测在大变形情况下旱现出来的线性应娈麻力关系。阿时对比分析正常细胞和生物化学 性能改变屙的细胞骨架晕现的不同力学行为， 为了进一步验证文献试验结果，根据试验数据，我们对单细胞的剪切流变特性进行了数值舟析。 存分析过程中采用Ansys-cf墟新流必耦合求解方法，分析y--维单细【胞在流墒中的真实蹙形。前 儿年，同内有微多细胞变形数值分析的研究，但是存分析细胞核和细胞质受讣场激励后变形机理和 预测时都采用给定预测点外力，而不是从细胞实际环境流变血液中得到需要的数值试验数据。因此 这里从细胞流盘外血渡环境中得需婪的琏力和外摩擦力外场．再进一步分析细胞受外力变蝣情况· 流周耦台分析的单细胞外流场，为了更加真实反映试验中单细胞层剪切流变，这里提取单个细 胞独立出来进行数值分析。在分析过程中漉场进出口采用循环周期性边界条件t这符合旋转剪切流 场局部流场情况。在流固耦台分析中外漉场采用四面体单元结构，节点数222914t单元数47738。 为丁更好地捕捉细胞壁面外场，在时细胞外壁面流场进行网括处理时特意给定过渡边界层．蜘图i 上左所示。图右为细胞外形和内部网格，采用非结构舟格，节点数3528，单元数20lI。在流周耦 台过程中定义一个FSI面(漉固耦台作用面)，FSl面实现外流场睁式压力到细胞肇面的传递，需； 璺在FSI面两侧外流场网格节点和细胞内同格节点情况一一照庶。 F 图1诫崮辑台过氍中流体与固体暇格情况 计算与结枭 冉对单细胞进行流崮耦合分析时，能较理想地实现流体外流场的真实压力和速度场外力约小。 5m州s时单细胞层的外流场速度分析情况和竹钏胞1鳓Ⅲ的壁IBJ 图2给出r半板壁嘶弛Ⅵ速度为0 F耍妥半板壁埘势圳龟 剪应力分析情况．如m2所不细胞的微观外流场比想象中的复杂-细胞±．翻f 曳流动，在细胞左前侧流场和』-后制流场中有一定的回流．这种微观流局分扣将影响细咆受力变形。 H2』．随为细胞壁而剪应力分析情况．枉细胞外形构型和微现外流场作川下，壁而甜应力分rr杠I。 壁而形成卟剪成力虾．王1=的前后势应力雎人； …l 。一 —■霸圈——=]—■ ?0777pP#≯?， ‘c‘({{|‘c，：i， 霹≯，：。__——一一、、 矗—瓠 i 0 } ●礴·_ 0 图2 5mnds鲋切速度时的流场分布和细胞壁面剪应力分布情况 区别于文献中数值模拟细胞弹性变形分析，往对细胞外力的处理h不再采用对给定预溯点定 约束力。这里从微观外流场得到隐式压山部分，如削3(a)所示．给出了细胞在受h板拖曳剪切 速度为005mm／s和O5mra／s时外流场传递的压力分布。此压山分布是三维立体分