管流中囊泡的形状转变与流体动力学

采用轴对称边界元法，数值研究了低雷诺数压力驱动流中脂质双分子层囊泡穿过圆管的稳态运动与形变。这一流固耦合问题由三个无量纲参数决定：约化体积（囊泡非球度的度量）、几何约束（囊泡有效半径与管半径之比）和毛细数（黏性力与弯曲力之比）。囊泡的物理约束——被约束在管内时表面积和包裹体积固定——决定了临界约束，超过该约束囊泡将不得不破裂其膜才能通过。模拟结果涵盖不同约束程度下约化体积[0.6, 0.98]的宽广范围；约化体积0.6模拟红细胞。我们绘制了囊泡形状相图，并提出了在约化体积对约束的相空间中将降落伞状形状区域与子弹状区域分开的形状转变线。我们表明，形状转变标志着囊泡迁移率行为的改变，尤其对高度泄气囊泡而言。最重要的是，高分辨率模拟使我们能够在极高约束条件下考察壁面边界与囊泡表面的流体动力相互作用，从而提供若干关注量的极限行为，如润滑膜厚度、囊泡迁移率及其长度，以及由囊泡存在引起的额外压降。该额外压降对稀囊泡悬浮液的流变学具有意义。此外，我们给出了各种关联式并讨论了若干实际应用。