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紅血球之流固互動分析

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Red Blood Cell FSI

紅血球之流固互動(Fluid-structure Interaction)分析

ADINA本期電子報,我們將介紹ADINA FSI如何被應用來計算紅血球的機械性質.

此模型包含外部細胞膜, 以考慮黏彈性效應的超彈性體薄膜(hyperelastic membrane including viscoelastic effects)模擬,細胞質則以內部填滿不可壓縮之牛頓流(incompressible Newtonian fluid)來模擬. 分析的目的是用數值模擬來瞭解紅血球RBC的機械性質並與實驗數據比對(見參考文獻). 圖1為此模型示意圖.

Red Blood Cell FSI

圖 1 模型示意圖

此模型在其中一個徑向受到張力,並以暫態動態分析.細胞質與細胞膜間的雙向流固耦合納入分析條件.圖2所示為紅血球在不同張力下所顯示的不同變形.因此模型及條件為對稱,故此處只建立1/8之模型.

Red Blood Cell FSI

圖 2 幾個變形瞬間示意


圖 3所示為分析及實驗結果. 分析時在薄膜上採用不同知剪力模數, 並假設流體為非黏滯性.虛線及垂直線所示為實驗結果及誤差之範圍.



圖 3 忽略細胞質黏滯性之結果.虛線及垂直線所示為實驗之結果及誤差範圍.


圖4 顯示與圖3相同的實驗結果比較,但此處考慮細胞質之黏滯性.結果顯示,考慮黏滯性後, 分析結果更接近實驗值.


圖 4 忽略細胞質黏滯性之結果


ADINA允許流固完全雙向耦合,且結構可考慮一般的非線性行為(幾何,材料及接觸),流體也可是一般常見流體(不可壓縮,或可壓縮Navier-Stokes流).這些功能,都在同一個FSI模組內提供.

參考文獻

  • C.Y. Chee, H.P. Lee, C. Lu, "Using 3D fluid-structure interaction model to analyse the biomechanical properties of erythrocyte", Physics Letters A, 372:1357-1362, 2008


Keywords:
Fluid structure interaction, FSI, red blood cell, erythrocyte, cytoplasm, hyperelastic, viscoelastic, large deformation, biomechanics, Navier-Stokes



Courtesy of C.Y. Chee (Ning Research), H.P. Lee (National University of Singapore), C. Lu (King Abdullah University of Science and Technology)

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