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研究生: 張鈺翎
Yu-Ling,Chang,
論文名稱: 光滑粒子流體動力學在微流道中紅血球變形之模擬與應用
Simulation of Blood Cell’s Deformation in a Microchannel by Smooth Particle Hydrodynamic (SPH) method
指導教授: 賴新一
Lai, Hsin-Yi
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 73
中文關鍵詞: 光滑粒子流體動力學法紅血球
外文關鍵詞: smooth particle hydrodynamics, red blood cell
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  • 本文發展了光滑粒子流體動力學法(SPH)應用在二維紅血球於微流道中的變形,紅血球的細胞膜以一群粒子離散並與相鄰的細胞膜粒子以線性彈簧連接,而血漿及細胞質由一群不可壓縮牛頓流體粒子所表示。為驗證SPH算法,模擬紅血球於壓力驅動流中的變形,紅血球往下游移動並由原先的雙凹透鏡形變成特徵形狀降落傘形(parachute shape),與文獻結果一致,為模擬紅血球變形提供了另一種可行的途徑。較早的研究,大多假設紅血球的細胞內液和血漿的性質是相同的,因此本文模擬不同密度比、黏滯係數比對紅血球在微流道中的變形的影響,結果顯示改變彈簧常數、密度比、黏滯係數比皆影響其變形和速度,其中以改變細胞膜的彈簧常數影響最大。最後模擬了紅血球進入微流道的變形過程,兩翼向中心線靠攏並向後延伸,中間增厚。通過流道的時間隨彈簧常數的增大而增加,但此表現在常數變小較不明顯。

    This thesis presents a smooth particle hydrodynamics (SPH) model for simulation of two dimensional deformation of a red blood cell (RBC) in micro-channel. In the model, the RBC membrane is discretized by membrane particles that are connected to neighboring membrane particles by linear spring. The plasma and cytoplasm are modeled as incompressible homogeneous Newtonian fluids, discretized by SPH particles. In order to verify the model, the deformation of a RBC in capillary, with the RBC moving downstream and processing a characteristic parachute shape in the steady state, results is well-agreement of previously reported. Then the effects of parameter were also investigated, which include the spring modulus, density and viscosity ratios of the fluid to RBC. The simulation results reveals that all of the parameters have effects on the dynamic behavior of the RBC. Finally, the dynamic behavior of an RBC entering a contraction micro-channel was presented. As the RBC moves, two wings fold toward each other, and bending of the membrane is increased. The result agrees well with the experiment results of reported previously in the literature, and the traveling time increases as the spring modulus is increased.

    中文摘要 I Abstract II 致謝 III 圖目錄 VIII 符號目錄 XI 第1章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 章節瀏覽 2 第2章 文獻回顧與基本假設 4 2.1 文獻回顧 4 2.1.1 以粒子法模擬血液之文獻回顧 4 2.1.2 光滑粒子流體動力學法之文獻回顧 5 2.2 血液模型的基本假設與控制方程 7 2.2.1 基本假設 7 2.2.2 流體控制方程 7 2.2.3 紅血球的形狀方程 8 2.2.4 紅血球的粒子模型 8 第3章 模型的建構與模擬流程 10 3.1 光滑粒子流體動力學法的基本原理 10 3.2 光滑粒子流體動力學法的基本方程 11 3.2.1 函數的積分表示法 11 3.2.2 粒子近似法 13 3.3 支持域與影響域 14 3.4 光滑函數 16 3.4.1 光滑函數的求解步驟 17 3.4.2 常用的光滑函數 21 3.5 控制方程式之離散 24 3.5.1 密度計算 24 3.5.2 動量方程 26 3.5.3 狀態方程 27 3.6 粒子的位移修正法 27 3.7 邊界修正法 28 3.7.1 邊界力法 28 3.7.2 耦合邊界法 29 3.7.3 鏡像邊界法 29 3.8 相關程式原理與步驟 29 3.8.1 粒子間相互作用的對稱化 29 3.8.2 相鄰粒子搜索法 30 3.8.3 週期性邊界條件 33 3.8.4 最小映像法則 34 3.8.5 紅血球變形指數(DI值) 35 3.9 程式流程 35 第4章 數值模擬與結果討論 48 4.1 基本流體算例驗證 48 4.1.1 Couette流動 48 4.1.2 Poiseuille流動 49 4.2 紅血球於微流道中變形模擬與結果討論 50 4.2.1 在壓力驅動流中二維紅血球的變形模擬 50 4.2.2 紅血球進入微流道中二維的變形模擬 53 第5章 總結與展望 68 5.1 總結 68 5.2 展望 69 參考文獻 70 圖 2 1紅血球原始比例 9 圖 2 2紅血球粒子模型示意圖 9 圖 3 1支持域位於問題域內 37 圖 3 2支持域與問題域交錯 37 圖 3 3粒子法求解示意圖 38 圖 3 4支持域示意圖 38 圖 3 5影響域示意圖 39 圖 3 6影響域不同示意圖 39 圖 3 7高斯函數及其一階導數 40 圖 3 8三次樣條函數及其一階導數 40 圖 3 9邊界力法示意圖 41 圖 3 10耦合邊界法示意圖 41 圖 3 11鏡像邊界法示意圖 42 圖 3 12在二維空間中應用全配對搜索法 42 圖 3 13在二維空間中應用鏈表搜索法 43 圖 3 14週期性邊界示意圖 利用週期重複以組成真實系統 43 圖 3 15一維週期性邊界示意圖( ) 44 圖 3 16一維週期性邊界示意圖( ) 44 圖 3 17一維最小映像法則示意圖( ) 44 圖 3 18一維最小映像法則示意圖( ) 45 圖 3 19一維最小映像法則示意圖( ) 45 圖 3 20程式流程圖 46 圖 3 21程式結構圖 47 圖 4 1COUETTE流粒子配置圖 55 圖 4 2 COUETTE流在1秒時粒子的位置速度分布圖 56 圖 4 3 COUETTE流動的速度分布圖 56 圖 4 4 POISEUILLE流粒子配置圖 57 圖 4 5 POISEUILLE流動在1秒時粒子的位置速度分布圖 58 圖 4 6 POISEUILLE流動的速度分布圖 58 圖 4 7紅血球在壓力驅動流的SPH粒子配置圖 59 圖 4 8紅血球在壓力驅動流中隨時間變化的形變圖 59 圖 4 9紅血球達穩定狀態的比較圖 60 圖 4 10不同彈簧常數紅血球變形比較圖 60 圖 4 11不同彈簧常數速度比較圖 61 圖 4 12不同密度比紅血球變形比較圖 61 圖 4 13不同密度比速度比較圖 62 圖 4 14不同黏滯係數比紅血球變形比較圖 62 圖 4 15不同黏滯係數比速度比較圖 63 圖 4 16紅血球進入微流道的粒子配置圖 63 圖 4 17紅血球進入微流道( )的形變圖 65 圖 4 18不同彈簧常數通過微流道示意圖 66 圖 4 19不同彈簧常數通過的時間圖 66 圖 4 20通過的時間圖 67

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    下載圖示 校內:2014-06-25公開
    校外:2014-06-25公開
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