微循环血流动力学下氧传输与代谢的扩散界面方法
流体动力学
2026-04-29 v2
摘要
考虑单个红细胞（RBC）运动和变形的氧传输时空分布与血流动力学之间的关系，对于理解微循环系统至关重要。三维（3D）建模对于处理毛细血管网络中复杂的氧传输和细胞行为不可或缺；然而，在界面大幅移动和变形的情况下，强制执行界面（或跳跃）条件的计算方法非常困难。在本文中，我们提出了一种使用混合公式的氧传输扩散界面方法。我们使用对流-扩散-反应方程来表述氧传输，并使用相指示函数将所有控制方程重写为混合形式，其中所有界面条件都包含在控制方程中。这一创新避免了在高密度红细胞条件下大幅移动界面所带来的不连续性复杂性。我们使用浸入边界法（IBM）将细胞流建模为流体-膜相互作用问题。该方法允许使用固定的笛卡尔坐标网格无缝计算红细胞胞质（内部流体）、血浆（外部流体）和组织区域中细胞流和氧传输的耦合问题。所提出的方法精确捕捉了球对称扩散的解析解，并成功演示了直毛细血管及其网络中的氧传输。这些严格的分析表明，红细胞能够根据局部组织氧合水平自主调节向组织的氧气供应，从而实现均匀的组织氧合。
引用
@article{arxiv.2510.26138,
title = {Diffuse interface approach to oxygen transport and metabolism under blood flow dynamics in microcirculations},
author = {Naoki Takeishi and Junya Kobayashi and Shigeo Wada and Satoshi Ii},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.26138},
year = {2026}
}