主动脉夹层(Aortic Dissection,AD)是主动脉腔内血液通过主动脉管壁上的内膜撕裂口进入主动脉中膜外层或中外膜交界处的一种疾病,具有假腔易破损,破损易致死的特点。通过医学影像技术与计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的结合,对主动脉夹层血流进行数值模拟,分析血流动力学行为,对临床判断和疾病防治具有重要意义。使用多相流方法模拟主动脉夹层内血液流动,是计算流体力学应用于现代医学的新成果。本文基于一例De Bakey Ⅲ型主动脉夹层患者断层扫描图像构建计算模型,使用拉格朗日多相流对血流进行动态数值模拟,探索主动脉夹层血流的动力学行为,进而从力学视角分析主动脉夹层易破损的位置,从红细胞视角解释主动脉夹层破裂的原因及危害,从防治视角总结多种固相物在主动脉夹层内运动规律。研究成果为主动脉夹层的防治提供有益参考,具有临床意义。本文主要研究内容如下:一、介绍了主动脉夹层的基本信息,包括主动脉夹层的定义与分类、危害与治疗手段,回顾了国内外对主动脉夹层数值模拟的进展,由此提出本文的主要研究方向和临床意义,解释了选择多相流模拟的优势与使用大规模计算的必要性。二、介绍了将De Bakey Ⅲ型主动脉夹层患者断层扫描图像转化为计算模型的过程,包括几何建模、网格划分、边界设置三个部分。为计算的高效、收敛奠定基础。三、介绍了拉格朗日多相流动的数值模拟方法,以及物性参数的设置和时间步长的选择,为得到合理可靠的计算结果奠定基础。四、使用拉格朗日多相流方法,对主动脉夹层血流进行数值模拟,分析血流动力学行为,发现速射血期流场容易出现层流,舒张期流场容易出现旋涡;假腔近心端膨胀处容易出现低速旋涡,腹动脉再破口附近容易出现高速紊流;假腔近心端同时出现高壁面压力与高壁面切应力,这样的受力情况容易导致血管壁损伤甚至破裂;主动脉夹层对血液流动存在阻碍作用,引起器官供血不足。五、使用拉格朗日多相流模型对主动脉夹层血流进行数值模拟,依据四个典型时刻制作红细胞体积分数云图,依据四个典型时段制作红细胞轨迹时间云图与轨迹速度云图,探究主动脉夹层内红细胞运动规律,从红细胞运动角度解释了主动脉夹层易破裂的原因及危害:发现红细胞速度变化相对于血液速度变化具有延迟性,讨论多相流模拟的必要性;发现假腔近心端膨胀处容易出现低速红细胞聚集的现象,此位置易生成血栓;发现假腔近心端膨胀处上部缺少新鲜血液涌入,此位置血管壁不易进行自我修复;主动脉夹层阻碍红细胞通过,在阻碍血液流动的基础上,进一步降低了血液携带红细胞的能力,加重供血不足。六、选取三种尺寸的固相物颗粒:直径7×10-6m,直径7×10-7m,直径7 ×10-8m。分别对包含此三种固相物的主动脉夹层血流进行数值模拟,基于三种固相物的运动轨迹建立轨迹速度云图与轨迹时间云图,对比三种固相物在主动脉夹层内的运动规律,发现三种固相物分布规律与运动规律密切相关;7 ×10-8直径固相物的运动敏捷,速度容易被血流影响,可随血流在假腔内反复运动;7 ×10-6m直径固相物的运动迟钝,速度难被血流影响,在高速血流中被加速后快速通过长而直的血管通道,而在低速血流中不易被冲走,因此更容易存在于膨胀的假腔近心端;7×10-7m直径固相物在假腔近心端停留最少,在腹动脉停留最多。血液内具有多种功能不同的固态颗粒,或来自于自身,或来自于注射。通过区别颗粒尺寸获得颗粒分布信息,此信息可以指导医疗手段调节体内特定位置颗粒浓度,最终控制颗粒在特定位置发挥其有益性,降低其有害性,最终使主动脉夹层的防治更具针对性。