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将二氧化碳战水(细菌为硫化氢战水)为贮存着

浏览数:  发表时间:2019-10-16  

  生物流体力学次要研究动物和人体内轮回、呼吸系统的心理流体(如血液、气体、尿液、淋巴液和其他体液等)的流体力学问题。力学研究标的目标侧沉于生物心血管系统、消化呼吸系统、泌尿系统、内分泌以及拍浮、翱翔等取水动力学、空气动力学、鸿沟层理论和流变学相关的力学问题。其次还包含动物心理流动、动物勾当中的流体力学问题、人工净器中的流体力学问题以及生物手艺(如生物反映器)中的流体力学问题等。生物流体力学研究从体是心血管系统的流体力学问题,它将力学的理论和体例取心理学、医学的事理和体例无机的连络起来,力图用力学的理论和体例来正文和分析生物体所呈现的各类心理现象,阐明血液流动的根底规律及某些心血管疾病对血液流动的可能影响,以便为心血管疾病的诊断和防治供给帮帮。由于血液轮回对维持人的生命至关次要,因心血管系统疾病而消亡的人数正正在消亡总数中具有相当大的比例,因此,心血管流体力学已经成为生物流体力学以至生物力学成长研究中最为活跃的一支。

  生物流体力学所措置的问题,大都属于持续介质力学范畴,或者是它的某种耽误(如微持续介质理论等)。且大都视为热力学平衡系统。

  广义来讲,脊椎动物呼吸过程分为两种勾当形式,一种是动物体表里的气体交换,即呼气取吸气过程,这种形式依托呼吸机驱动气体迁移勾当。另一种是动物体内氧气取二氧化碳的交换,相对于前一种这种形式的迁移扩散雷诺士较低。

  为流体动力粘性系数(即粘度)。这就是出名的牛顿粘性定律。凡是合适此定律的流体称为牛顿流体,否则牛顿流体。

  1687年,牛顿起首做了最简单的剪切流动测验考试。正正在平行平板之间充满粘性流体,平板间距为d,下板静止不动,上板以速度

  血液中红细胞取壁面的相互传染感动,以及剪切流中红细胞之间的相互传染感动,血液不能看做平均的持续介质,必需考虑红细胞的要素,当做具有微结构的持续介质,或两相悬浮系统措置,这种仿照颗粒取液体相互传染感动的研究编制是流体动力学理论的生物学利用。

  其他生物的流动的研究次如果原生质流,年来,研究较多的是水活跃物细胞内原生质的环流和变形虫,黏菌体等体内原生质的往来来往勾当。就水活跃物节间细胞为例,圆筒形的细胞处所是大液泡,细胞质均布四周。开初人们认为原生质流动受液泡节制,然而测验考试证明,当抽去液泡后,细胞质的流动并不发生变化。日本学者神谷宣郎等认为细胞内原生质环流动力来自内质取外质界面物理-化学发生的平行于壁面但标的目标相反的力。而叶绿体取细胞核扭转标的目标取外层原生质流的勾当标的目标相反。

  上式即以应力暗示的欧拉型微分形式的动量方程。若连络本构方程可得Navier-Stokes方程即N-S方程。

  生物体依托传染感动不竭的从中获取养分物质(为能量)而本身的必需。同时生物体不竭的将体内的大为小并出垃圾废料,完成同化传染感动。这种能量交换取轮回的新陈代谢过程了生物体的一般生命成长过程,而新陈代谢中的物质交换和内部运输过程往往通过流体勾当的形式。

  静止形态的血液微结构中红细胞陈列,并形成收集结构,当切应力高于收集结构的强度时,收集遭到,血液才会流动,当流动切变率较低时,红细胞仍然成串连络,发生红细胞堆积现象。血液流动时,红细胞会发生变形,出格是通过狭小血管时较着。正正在流动中,红细胞除了和血浆一路平均勾当外,还有相对于血浆的勾当,包含挪动、动弹和布朗勾当,多么的相互勾当惹起了细胞取血浆之间的相互传染感动,从而影响了血液的宏不雅观力学性质。正正在心理形态下,血液是不成压缩流体,按照不成压缩流体的本构方程我们很容易就可以或许获得血液的本构方程:

  无论是生物系统仍是无生命系统,物质输运过程均取决于物质的位移勾当,其宏不雅观暗示为:流动(敦促静压梯度)、扩散(其动力室化学势梯度)和化学反映。认识物质输运过程有两个路子,一是从微不雅观出发,研究各组元的勾当,极其相互传染感动,成立统计的定量规律;而是从宏不雅观现象出发,成立输运方程。对于生物系统来说,无论用哪种体例,目前都还不能切确地描述其传质过程。物质输运对于研究血液氧气、NO等气体输运,药物传送取规律等标的目标都是强无力的手段。

  是表征线性粘弹性材料的物性的一种体例,常用的线性粘弹性模型有麦克斯韦(Maxwell)模型、佛克脱(Voigt)模型等。

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  多么只需两个的弹性模数。常用杨氏模量E,剪切模数G,体积模数K及泊松比中肆意两个。这里

  持续方程是质量守恒事理正正在流体勾当中的暗示,对于确定的系统来说,不存正正在源和汇时,系统的质量不随时间变化,持续性方程又称为质量守恒方程,即:

  高档动物体具有根、茎、叶、花、果实、种子等器官,通过光合传染感动、呼吸传染感动、蒸腾传染感动完成绝大部分一般心理功能。光合传染感动(Photosynthesis)是绿色动物把持叶绿素等光合色素和某些细菌(如带紫膜的嗜盐古菌)把持其细胞本身,正正在可见光的映照下,将二氧化碳和水(细菌为硫化氢和水)为储存着能量的无机物,并出氧气(细菌氢气)的生化过程。蒸腾传染感动(transpiration)是水分从活的动物体概况(次如果叶子)以水蒸汽形态散失到大气中的过程,次要分为气孔蒸腾和角质蒸腾。

  心血管系统是一个由心净和血管所形成的封锁管道系统。心净是动力器官,血管是运输血液的管道。通过心净有节律性收缩取舒张,敦促血液正正在血管中按照必然的标的目标不竭地轮回流动,完成血液轮回。血液轮回是机体最次要的心理机能之一。通过血液轮回,血液的全数机能才得以实现,并随时调整分拨血量,以适应勾当着的器官、组织的需要,从而了机体内的相对恒定和新陈代谢的一般进行。轮回一旦遏制,生命勾当就不能一般进行,最后将导致机体的消亡。

  持续介质是现实物质的一种理想化假设,假设物质是由充满某一空间的质点构成,每个质点和物质全体性质不异。多么,物质的形态和勾当可以或许用时间和空间的持续函数来暗示。它认实流体或固体所具有的空间可以或许近似地看做持续地无空位地充满着“质点”。质点所具有的宏不雅观物理量(如质量、速度、压力、温度等)满脚一切理当遵照的物理定律,例如质量守恒定律,牛顿勾当定律、能量守恒定律、热力学定律以及扩散、粘性及热传导等输运性质,但流体和固体的某些物理还必需由测验考试来确定。由于某些描述物质勾当的物理量(如加速度)是另一些物理量(如速度)的微商,故一般地说,暗示持续介质勾当和形态的物理量,具有n阶持续微商,n是肆意正整数。

  生物流体力学(biofluid mechanics)是近四十年来成长起来的生物力学的次要分支学科,具有很是丰盛取多样化的理论底子和研究思,是生物学、医学、心理学、生物工程、生物医学工程等学科的阐发取交叉,出格是取临床医学及人类心血管疾病的防止、诊治、解理等研究关系上极为亲近。

  动脉和静脉血管由内、中、外三层构成。内层由内皮细胞核基质膜构成;中层可分为若干齐心弹性的薄层,对于大动脉,层数随壁厚添加,正正在小动脉中弹性蛋白削减。血管材料的力学性质不只反映血流流动理论,而且还对血管、血液疾病如动脉粥样软化构成影响。

  生物流体力学(biofluid mechanics)是近四十年来成长起来的生物力学的次要分支学科,具有很是丰盛取多样化的理论底子和研究思,是生物学、医学、心理学、生物工程、生物医学工程等学科的阐发取交叉,出格是取临床医学及人类心血管疾病的防止、诊治、解理等研究关系上极为亲近[1-4]。

  。但即便完全弹性体,只需变形无限小时,线弹性模型才成立。而生物材料正正在心理形态下往往变形较大。

  宏不雅观来讲,动物体进行氧气、无机物、无机物轮回的光合传染感动,动物体的红细胞输运氧气以及血液轮回取呼吸系统的运转等都离不开流体力学的现象研究。微不雅观方面,细胞的变形勾当,小物质传输,细胞微不雅观的力学行为等也时辰反映这流体力学现象。下面分四部分简要引见:

  从流体力学概念来看,光合传染感动次如果二氧化碳的穿越扩散过程,其扩散速度通过次要靠气孔的开关节制。蒸腾传染感动中水的蒸腾流和糖溶液的易位流是正正在不合的特意组织中发生的。前者通过木质部外缘的导管,后者通过韧皮部的筛管,大量测验考试剖明,动物体导管内水柱是持续的,因而蒸腾流是一种毛细管流动。流动所需动力由根和叶部水的化学势差供给。

  国内良多学者正正在血流动力学标的目标开展了系统的研究,邓小燕的团队研究了旋动流形态下血小板取管壁的相互传染感动和粘附及其活化形态、低密度脂蛋白(LDL)和氧气的输运,并将其取通俗流场进行了比较。通过测验考试手段证了然LDL正正在细胞层的壁面浓度取细胞对LDL的领受呈正相关性。壁面剪切力调控的血管内皮功能妨碍以及LDL脂质浓度极化现象,都参取了致动脉粥样软化性脂质正正在血管壁中的堆积。针对植介入器械,他们次要研究了药物涂层支架(DES)、生物可降解支架、介入瓣和覆膜支架。药物涂层支架方面,次要对支架的构型进行了血流动力学评价和优化,并从血流动力学角度提出了新的药物涂层方案。

  正正在本人平面内等速平移。由于板上流体随平板一路勾当,因此附正正在上板的流体速度为,附不才板的流体速度为零。测验考试指出,两板之间的速度分布

  生物流体力学研究次要包含以下几大板块:心理流动及流体力学问题(根底问题)、持续介质力学问题(宏不雅观理论底子)、血液流变取心血管系统力学问题(生物学根底底子)、生物流体动力学问题、其贰心理学取力学问题。

  心理流动问题中多碰着的流体往往牛顿流体,以致是粘弹性流体。只是正正在必然前提下可按牛顿流体近似措置。

  高档动物轮回系统由心净、动脉、毛细血管、静脉构成。左心室收缩,将新鲜血液注入从动脉,经动脉系统输送到各组织的毛细血管中,正正在哪里进行物质交换,供给氧气和养料,带走二氧化碳和废料;再经静脉系统流回左心房;由左心室泵入肺动脉,正正在肺内进行气体交换,吸进氧,排出二氧化碳;鲜血经肺静脉流入左心房,再通过二尖瓣进入左心室。从左心室-左心房,心理学上称为体轮回;从左心室-左心房则称为肺轮回。

  归纳分析来讲,流体的勾当一般要遵照三个最根底的守恒定律,即质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律,正正在流体力学中具体表示为持续性方程、动量方程和能量方程。

  从流体力学概念来看,进化序列不合的脊椎动物呼吸过程的事理分歧很大。例如:鱼类用鳃呼吸,通过鳃空腔的抽吸传染感动,完成呼吸过程,鳃内水流和血流的逆流式勾当大大提高了交换效率。为了提吸效能,部分鱼还有鱼鳔结构。从两栖类、爬虫类到哺乳动物,呼吸系统并没有质的改变。然而,从爬虫进化到的鸟类,呼吸编制发生了很大改变,鸟类体内的气囊收缩取膨缩驱动气体流动完成呼吸传染感动。到高档动物的人类其呼吸系统愈加复杂,呼吸过程由三个相互跟尾并且同进进行的环节来完成:外呼吸或肺呼吸,包含肺通气(空气取肺之间的气体交换过程)和肺换气(肺泡取肺毛细血管之间的气体交换过程);气体正正在血液中的运输;内呼吸或组织呼吸,即组织换气(血液取组织、细胞之间的气体交换过程),有时也将细胞内的氧化过程包含正正在内。可见呼吸过程不只依托呼吸系统来完成,还需要血液轮回系统的配合,这种协调配合,以及它们取机体代谢程度的相适应,又都受神经和体液要素的调度。

  拉格朗日法和欧拉法是描述持续介质勾当的两种编制,欧拉法(euler method)是以流体质点流经流场中各空间点的勾当即以流场做为描述对象研究流动的体例。拉格朗日法是以研究单个流体质点勾当过程做为底子,阐发所有质点的勾当,构成整个流体的勾当。拉格朗日法查询拜访某一介质微元的、速度等物理量随时间的变化,给定空间内,所有微元的历史过程的总和,构成了该空间内介质勾当的规律。

  从流体力学概念来看,心血管流动又有大轮回和微轮回之分。大轮回心净-动脉-组织(负载)-静脉-心净,把组织看做纯负载,对其内部血流细节不予以深究。微轮回从小动脉-毛细血管-小静脉,研究毛细血管血流和通过管壁的物质交换。

  按照能量守恒定律,单位时间内由传入的热量取外力对系统所做的功之和,等于系统总能量对时间的变化率,即:

  起首引见下弹性体,除刚体外,最简单的固体模型是胡可体,基于两条假设:1)介质是完全弹性体,使物体变形所做的功完全变成了介质的弹性位能。2)应力是应变的线性函数,取角位移无关。多么

  血液轮回的心理传染感动正正在于和各组织进行物质交换,以维持生命,这种交换传染感动次要通过血管壁进行,它和管内血液流动特征亲近相关,对于微轮回系统而言,愈加次要。无论对于心净输出功能,仍是血液-组织传质过程,或者轮回系统的节制、调度,微轮回流体勾当规律的研究均至关次要。

  血液是由红细胞、白细胞、血小板和血浆形成的,红细胞是影响血液流变特征的次要物质。从流体力学概念来看,血液是无形元素(次如果红细胞)和血浆形成的多相系统。当流场特征尺度(如血管曲径)弘远于无形元素尺度(红细胞曲径)时,可以或许看做均质的持续介质。其流变行为取决于各相的物性及相互传染感动。

  应变位能只合用于完全弹性体,即应力取应变之间存正正在逐一对应关系。然而,生物材料大多不是完全弹性体,而是粘弹性体。

  非牛顿流体大致分为两类,一是取时间无关的非牛顿流体,这类流体的应力取决于当时当地的应变率即当时当地流动形态,取流动的历史过程无关。它又分为两种,有应力的流体和无应力的非牛顿流体。二是粘弹性流体,这类流体的应力不只取决于当时当地的应变率,而且取历史相关。

  粘弹性体材料任一点任一时辰的应力形态,不只取决于当时当地的应变,而且取应变的历史过程相关,即材料是有“回忆”的。废弛函数



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