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研究生:簡榮宏
研究生(外文):Chien,Junghung
論文名稱:三維管路接合處之流場分析
論文名稱(外文):The Numerical Investigation of Flow Fields of 3-D End-to-Side Anastomoses
指導教授:湯同達
指導教授(外文):Tang,TonDar
學位類別:碩士
校院名稱:華梵大學
系所名稱:機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:停滯點分離流迴流二次流內膜肥大症動靜脈廔管
外文關鍵詞:stagnantionseparated flowvortexsecondary flowintimal hyperplasiaarteriovenous fistulae
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為了延長動靜脈廔管的生命,探討其流場狀況為一重要的課題。造成動靜脈廔管損害的原因可能與內膜肥大症有所關連,而本研究的目的則是要探討動靜脈廔管的血液流場其與病變產生的相關性,以提供給醫生作為執行動靜脈廔管手術的參考。
在本研究中所採用的醫學數據是以杜普勒超音波自洗腎病患身上所擷取。動靜脈廔管模型先是以套裝軟體ICEMCFD建立,再經由套裝軟體STAR-CD執行運算及流場分析。探討的近心臟側與近手掌側的動脈流量比率為2.5:1及1.5:1。本研究以脈動流做分析,每一週期分為360個時間步驟,每一個時間步驟為0.0023148秒。而在暫態流中其數值分析的方法為有限容積法中的PISO求解法。
在流場中發現停滯點、分離流、迴流及二次流均會發生在接合處的趾部、根部及底部,同時這也是管壁剪應力產生變化最劇烈之處。由於此區間亦為狹窄區產生之處,故可以初步的推斷,狹窄區的形成與剪應力的變化有極大的關聯。在脈動流中發現在第130個時間步驟時,速度與壓力為最大。
除此之外,在本研究中也針對流體為非牛頓流體與牛頓流體的特性做比較,在非牛頓流體部分,所採用計算剪應力的統御方程式為Power Law,所得的結果可以得知,牛頓流體與非牛頓流體在動靜脈廔管的流場情況大不相同,不僅產生迴流的區域改變、速度波形遠比牛頓流體平順,並且剪應力的變化也較牛頓流體平緩。

How to avoid the failure of radiocephalic arteriovenous fistulaes is important for hemodialysis patients. A large proportion of late failure of A-V fistulaes are related to the progression of intimal hyperplasia. Although the aetiology of stenoses is still unknown, it is speculated to be associated with haemodynamics. The motive of this research is to understand the locations of stenosis and explain the fluid behaviors when flowing through the anastmoses of end-to-side A-V fistulaes.
The blood flow waveforms of the radial artery and cephalic vein and geometry of A-V fistulaes are measured with a HP 8500 color Doppler ultrasound scanner system. The model is constructed by ICEMCFD, and then transferred to StarCD to perform calculations. The studied flow ratios between the proximal and distal arteries are 1.5:1 and 2.5:1. The period of pulsatile flow is 0.83333 sec. Each cycle is divided into 360 time steps and each time step is 0.0023148 sec. For the post-processing, in order to better illustrate the data, sensors are set in the A-V fistulae model. For the transient case, the PISO method is applied.
When the flow of the proximal and distal artery moves into the cephalic vein, a stagnation point occurs at the opposite bed of anastomotic junction. At this specific site, low shear stress also occurs. Because of the centrifugal force, vortices can be found at the heel and toe sites. When the flow passes through the vein, it not only goes straight but also rotates. The secondary flow is also found in the vein. The secondary flow will decrease in magnitude with distance from the suture line. Wall shear stress also decreases with distance from the anastomosis. During the systolic phase, the pressure increases as the velocity increases. At the end of systolic phase, the velocity and pressure are the highest.
In addition, the shear thinning behaviors of a Non-Newtonian fluid are discussed. The Power Law is used. The results of the Non-Newtonian study reveal the distribution of vortex is quit different than that of the Newtonian flow. The quantities of the wall shear stress and velocity of the Newtonian and Non-Newtonian flows are also different. In addition, the velocity profiles of a Non-Newtonian fluid are more uniform than those of a Nowtonian fluid.

目錄

誌謝………………………………………………………………………I
摘要……………………………………………………………………II
Abstract…………………………………………………………………III
目錄………………………………………………………………………V
圖錄……………………………………………………………………VII
表錄……………………………………………………………………XI
符號說明………………………………………………………………XII
一、緒論……………………………………………………………………1
1.1 研究動機…………………………………………………………1
1.2 文獻回顧…………………………………………………………2
二、動靜脈廔管病理學…………………………………………………10
2.1前言……………………………………………………………10
2.2 血液流體力學…………………………………………………11
2.3 血管病理學……………………………………………………12
三、幾何模型的建立……………………………………………………14
3-1 前言……………………………………………………………14
3-2 數據擷取………………………………………………………14
四、理論分析……………………………………………………………18
4.1 基本假設………………………………………………………18
4.2 控制方程式……………………………………………………18
五、數值分析……………………………………………………………21
5.1 前言……………………………………………………………21
5.2 幾何模型的建立………………………………………………21
5.3 流體的性質與邊界條件………………………………………22
5.4 數值解析………………………………………………………23
5-4-1 有限容積法………………………………………………23
5-4-2 SIMPLE 求解法…………………………………………28
5-4-3 PISO求解法………………………………………………32
六、結果與討論…………………………………………………………34
6.1 前言……………………………………………………………34
6-2 速度流場………………………………………………………38
6-2-1 速度流場狀況慨述………………………………………37
6-2-2 脈動流週期對於速度流場的影響………………………37
6-2-3 流量比對於速度流場的影響……………………………39
6-2-4 動靜脈廔管接合角度對於速度流場的影響……………40
6-2-5 非牛頓流體對於速度流場的影響………………………41
6-2-6 速度流場的討論…………………………………………42
6-3 壓力場…………………………………………………………42
6-3-1 壓力場概敘………………………………………………42
6-3-2 流量比對於壓力場的影響………………………………43
6-3-3 接合角度對於壓力場的影響……………………………43
6-3-4 非牛頓流體對於壓力場的影響…………………………44
6-4 剪應力場……………………………………………………44
6-4-1 前言………………………………………………………44
6-4-2 平均時間管壁剪應力……………………………………45
6-4-3 管壁剪應力梯度…………………………………………47
七、結論與未來展望……………………………………………………48
7.1 結論……………………………………………………………48
7-2 未來展望………………………………………………………50
參考文獻…………………………………………………………………98
圖錄
圖 3-1 近心臟側動脈截面圖……………………………………… 15
圖 3-2 近手掌側動脈截面圖……………………………………… 15
圖 3-3 靜脈截面圖………………………………………………… 15
圖 3-4 近心臟側動脈截面速度及流量圖………………………… 16
圖 3-5 近手掌側動脈截面速度及流量圖………………………… 16
圖 3-6 動靜脈廔管幾何模型示意圖……………………………… 16
圖 5-1 網格中心點P與鄰近網格中心點N的典型示意圖……… 25
圖 5-2 點與點之間通量的流向…………………………………… 27
圖 5-3 連續方程式的控制體積格點……………………………… 28
圖 6-1 接合角度30°與45°之動脈廔管模型…………………… 51
圖6-2 在動靜脈廔管模型中擷取數據所採用的兩個座標…… 51
圖 6-3 30°及45°動靜脈廔管中所裝置的數據擷取感測器…… 52
圖 6-4 近心臟側與近手掌側動脈流入靜脈流量比1.5:1及2.5:1之
圖………………………………………………………… 52
圖 6-5 接合角度30°、流量1.5:1牛頓流體在不同時間速度的波
形圖………………………………………………………… 53
圖 6-6 接合角度30°、流量1.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(H、I、J、K、L、M) …………………… 54
圖 6-7 接合角度30°、流量1.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(N、O、P、Q) …………………………… 55
圖 6-8 接合角度30°、流量1.5:1牛頓流體在不同時間、位置速
度的波形圖(R、S、T、U) ……………………………… 56
圖 6-9 接合角度30°、流量1.5:1非牛頓流體在不同時間、速度
的波形圖…………………………………………………… 57
圖 6-10 接合角度30°、流量1.5:1非牛頓流體在不同時間、位置
上速度的波形圖(H、I、J、K、L、M)……………………… 58
圖 6-11 接合角度30°、流量1.5:1非牛頓流體在不同時間、位置
上速度的波形圖(N、O、P、Q)……………………………… 59
圖 6-12 接合角度30°、流量1.5:1非牛頓流體在不同時間、位置
速度的波形圖(R、S、T、U)………………………………… 60
圖 6-13 接合角度30°、流量2.5:1牛頓流體在不同時間、速度的
波形圖……………………………………………………… 61
圖 6-14 接合角度30°、流量2.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(H、I、J、K、L、M)………………………… 62
圖 6-15 接合角度30°、流量2.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(N、O、P、Q) …………………………… 63
圖 6-16 接合角度30°、流量2.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(R、S、T、U) ……………………………… 64
圖 6-17 接合角度30°、流量2.5:1非牛頓流體在不同時間、速度的
波形圖……………………………………………………… 65
圖 6-18 接合角度30°、流量2.5:1非牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(H、I、J、K、L、M) ……………………… 66
圖 6-19 接合角度30°、流量2.5:1非牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(N、O、P、Q) ……………………………… 67
圖 6-20 接合角度30°、流量2.5:1非牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(R、S、T、U) ……………………………… 68
圖 6-21 接合角度45°、流量1.5:1牛頓流體在不同時間、速度的
波形圖……………………………………………………… 69
圖 6-22 接合角度45°、流量1.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(h、i、j、k、l、m) ……………………… 70
圖 6-23 接合角度45°、流量1.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(n、o、p、q) ……………………………… 71
圖 6-24 接合角度45°、流量1.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(r、s、t、u) ……………………………… 72
圖 6-25 接合角度45°、流量1.5:1非牛頓流體在不同時間、速度的
波形圖……………………………………………………… 73
圖 6-26 接合角度45°、流量1.5:1非牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(h、i、j、k、l、m) ……………………… 74
圖 6-27 接合角度45°、流量1.5:1非牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(n、o、p、q)……………………………… 75
圖 6-28 接合角度45°、流量1.5:1非牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(r、s、t、u) ……………………………… 76
圖 6-29 接合角度45°、流量2.5:1牛頓流體在不同時間、速度的
波形圖……………………………………………………… 77
圖 6-30 接合角度45°、流量2.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(h、i、j、k、l、m) ……………………… 78
圖 6-31 接合角度45°、流量2.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(n、o、p、q) ……………………………… 79
圖 6-32 接合角度45°、流量2.5:1牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(r、s、t、u) ………………………………… 80
圖 6-33 接合角度45°、流量2.5:1非牛頓流體在不同時間、速度的
波形圖……………………………………………………… 81
圖 6-34 接合角度45°、流量2.5:1非牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(h、i、j、k、l、m) ………………………… 82
圖 6-35 接合角度45°、流量2.5:1非牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(n、o、p、q) ………………………………… 83
圖 6-36 接合角度45°、流量2.5:1非牛頓流體在不同時間、位置上
速度的波形圖(r、s、t、u) ………………………………… 84
圖 6-37 接合角度30°、流量比1.5:1及牛頓流體時相對壓力剖面
圖…………………………………………………………… 85
圖 6-38 接合角度30°、流量比2.5:1及牛頓流體時相對壓力剖面
圖…………………………………………………………… 85
圖 6-39 接合角度30°、流量比1.5:1及非牛頓流體時相對壓力剖
面圖………………………………………………………… 86
圖 6-40 接合角度30°、流量比2.5:1及非牛頓流體時相對壓力剖
面圖………………………………………………………… 86
圖 6-41 接合角度45°、流量比1.5:1及牛頓流體時相對壓力剖面
圖…………………………………………………………… 87
圖 6-42 接合角度45°、流量比2.5:1及牛頓流體時相對壓力剖面
圖…………………………………………………………… 87
圖 6-43 接合角度45°、流量比1.5:1及非牛頓流體時相對壓力剖
面圖………………………………………………………… 88
圖 6-44 接合角度45°、流量比2.5:1及非牛頓流體時相對壓力剖
面圖………………………………………………………… 88
圖 6-45 動脈底部及頂部、靜脈左側及右側的基準點……………… 89
圖 6-46 動靜脈接合處底部平均時間管壁剪應力分佈圖………… 90
圖 6-47 靜脈左側處平均時間管壁剪應力之分佈圖……………… 91
圖 6-48 靜脈右側處平均時間管壁剪應力之分佈圖……………… 92
圖 6-49 動靜脈接合處頂部平均時間管壁剪應力之分佈圖……… 93
圖 6-50 動靜脈接合處底部空間管壁剪應力梯度之分佈圖……… 94
圖 6-51 靜脈左側處空間管壁剪應力梯度之分佈圖……………… 95
圖 6-52 靜脈右側處空間管壁剪應力梯度之分佈圖……………… 96
圖 6-53 動靜脈接合處頂部空間管壁剪應力梯度之分佈圖……… 97
表錄
表 3-1 動靜脈廔管尺寸…………………………………………… 17
表 6-1 速度波形圖表(1)……………………………………………35
表 6-2 速度波形圖表(2)……………………………………………36
表 6-3 速度波形圖表(3)……………………………………………37

參考文獻
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【11】Young I. Cho, and Kenneth R. Kensey, “ Effects of the Non-Newtonian Viscosity of Blood flow in a Diseased Arterial Vessel. Part 1: Steady Flows. ” Biorheology, Vol. 28, pp. 241-262, 1991.
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【13】M. K. Sharp, G. B. Thurston, and J. E. Moore, JR., “ The Effect of Blood Viscoelasticity on Pulsatile Flow in Stationary and Axially moving-tubes. ” Biorheology, Vol. 33, No. 3, pp.185-208, 1996
【14】B. Das, P.C. Johnson, and A.S. Popel, “ Effect of nonaxisymmetric hematocrit distribution on Non-Newtonian Blood Flow in small Tubes ” Biorheology, Vol. 35, pp. 69-87, 1998
【15】F. J. H. Gijsen, F. N. van de Vosse, and J. D. Janssen “ The influence of the Non-Newtonian properties of Blood on the Flow in Large Arteries: Steady Flow in a Carotid Bifurcation model ” Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 32 pp.601-608, 1999.
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【18】STAR-CD Theory Manual For Version 3.1 Computational Fluid Dynamics Software, 1999.
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