细胞支架平面多孔构型的流固非线性耦合数值计算

摘要

近几十年的研究证明，在生物组织的多孔构型与这些生物系统中生物和力学的共同作用下，共同直接或间接地影响着生物力学前沿问题——力学调控机制的基础研究。因此，生物组织或支架多孔构型与系统中基质、细胞等相互作用以及多孔内传质研究，对理解真实临床病理、真实生物组织和组织工程中的力学调控机制有重要理论与应用价值和意义。 本文基于固体大变形非线性理论和流体稳定层流理论分析细胞支架平面多孔构型的流固非线性问题。首先，对大变形固体力学模型的精确解和可靠性进行了验证；在Navier-Stokes方程的基础上对稳定层流流动的精确解和可靠性进行了验证。 采用了非线性耦合的方法来解决流场和结构的非线性耦合问题，采用在流场和结构上分别求解，利用编制的ANSYS与FLUENT接口程序互相调用ANSYS与FLUENT，使流场和结构在各个时间步之间耦合迭代，收敛后再向前推进，最终达到收敛。 本文主要对不同的流体介质在含弧形孔、矩形孔、三角形孔的细胞支架平面多孔构型当中的流固非线性耦合情况进行了数值计算，得到了一些具有参考价值的计算结果，并对计算结果进行了探讨，总结出了一些规律性的结果。

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第一章绪论

1.1研究的背景和问题的提出

1.2细胞支架多孔构型中的流固非线性耦合的研究现状

1.2.1多孔结构中的流固非线性耦合数值分析研究现状

1.2.2细胞支架多孔构型对细胞影响的实验研究现状

1.3本文研究的主要内容

第二章非线性流固耦合的理论分析和与计算方法简述

2.1细胞支架多孔结构中流固非线性耦合力学问题和力学模型的建立

2.1.1支架多孔结构力学问题和平面模型力学模型的建立

2.1.2细胞支架多孔结构中流体力学问题

2.1.3细胞支架多孔结构中固体力学问题

2.1.4细胞支架多孔结构中流固非线性耦合流体力学边界条件

2.2非线形流固耦合的理论简介

2.2.1流固非线性耦合介绍

2.2.2流固耦合中固体几何非线性弹性理论介绍

2.2.3流固耦合中流体理论介绍

2.3流固非线性耦合中的计算方法

第三章ANSYS与FLUENT接口的程序编制

3.1接口软件的程序设计方法的提出

3.1.1 ANSYS与FLUENT接口程序的研究背景

3.1.2主控软件FLUENT的概述

3.1.3 FLUENT的求解步骤

3.2 ANSYS与FLUENT接口程序的编制方法

3.2.1 UDF的主要功能

3.3接口程序的编制过程

3.3.1接触面网格节点的匹配

3.3.2固体载荷的加入及ANSYS的调用

3.3.3网格重构

3.4接口程序和FLUENT软件的连接

3.4.1建立目录结构

3.4.2编译和创建用户共享库

3.4.3连接共享库到FLUENT可执行文件

3.5接口程序的工作步骤

第四章收敛标准及精确度的验证

4.1计算过程中ANSYS所采用的一些收敛准则

4.2大变形固体模型精确度和可靠性的验证

4.3稳定层流流动精确度和可靠性的验证

第五章细胞支架平面多孔构型流固非线性耦合数值计算和结果

5.1含弧形孔结构固体模型和流体模型的构造

5.1.1含弧形孔固体模型的建立

5.1.2含弧形孔流体模型的建立

5.2含矩形孔结构固体模型和流体模型的构造

5.2.1含矩形孔固体模型的建立

5.2.2含矩形孔流体模型的建立

5.3含三角形孔结构固体模型和流体模型的构造

5.3.1含三角形孔固体模型的建立

5.3.2含三角形孔流体模型的建立

5.4计算过程和流体介质参数选取

5.5计算结果

5.5.1计算结果收敛性的判断

5.5.2流体模型计算结果

5.5.3固体模型的计算结果

第六章结论

参考文献

致 谢