弥合红细胞介观与连续介质建模间计算鸿沟以实现全解析血流模拟
计算物理
2019-08-28 v2
摘要
我们提出一种计算框架，用于模拟具有全解析红细胞（RBCs）的血流，采用模块化方法，包括用于血浆的格子 Boltzmann 求解器、基于有限元的可变形体新型求解器，以及用于流固耦合的浸没边界法。对于红细胞，我们提出一种节点投影有限元（npFEM）求解器，其在理论上优于更常用的质量-弹簧系统（介观建模），例如具有无条件稳定性、通用的材料表达性，以及用一组参数即可在全网格分辨率下完整描述物体行为。同时，该方法比该领域提出的其他有限元求解器显著更快，且效率可与介观模型相媲美。该求解器核心使用特别定义的势能，并基于其构建了一种基于拟牛顿技术的快速迭代过程。对于已知材料，我们的求解器仅有一个需要调节的自由参数，与物体粘弹性有关。相比之下，最先进的可变形体求解器具有更多自由参数，且模型标定需要对网格拓扑作特殊假设，这限制了其通用性与网格无关性。我们还对 Skalak 等人 1973 年提出的红细胞膜势能提出一种修正，增强了高变形下的应变硬化行为。我们的红细胞粘弹性模型虽足够简单并可作为收敛后步骤应用于任何求解器，却能准确捕捉特征恢复时间与坦克履带式频率。该框架利用实验数据验证，并证明对多个可变形体具有可扩展性。
引用
@article{arxiv.1903.06479,
title = {Bridging the computational gap between mesoscopic and continuum modeling of red blood cells for fully resolved blood flow},
author = {Christos Kotsalos and Jonas Latt and Bastien Chopard},
journal= {arXiv preprint arXiv:1903.06479},
year = {2019}
}