當慢慢攪動一碗濃稠的淀粉水時，它像液體一樣順滑，表現(xiàn)出“軟”的特性；但如果用力快速攪拌甚至拍打它，它會變得像固體一樣，給人一種“硬”的觸感。這就是非牛頓流體的“剪切增稠”特性：在強力作用下表現(xiàn)為固體，在弱力或無力作用下表現(xiàn)為液體。

　　然而，并非所有非牛頓流體都如此。番茄醬、油漆、血液等則截然不同：它們流動得越快，反而變得越“稀”、越“輕盈”，在血液流變學(xué)中，這種特性被稱為“剪切稀化”。正是生命高效運轉(zhuǎn)的流體密碼，讓血液能在血管中順暢奔流。

血液剪切稀化機制示意圖。西北工業(yè)大學(xué)供圖

　　由于血液流變的復(fù)雜性，如何精準量化這一非牛頓流體現(xiàn)象一直是血液計算力學(xué)領(lǐng)域的難題。西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院喬永輝教授團隊系統(tǒng)梳理了全球血液流變學(xué)已有研究成果，旨在為復(fù)雜血流模擬建立統(tǒng)一的計算物理評價體系，為心血管疾病模擬診斷提供科學(xué)支撐。

　　在臨床實踐中，醫(yī)生們可以構(gòu)建患者專屬的“虛擬血管”，通過模擬血流來輔助診斷心血管疾病、預(yù)測血栓風險。然而，血液并非理想液體，其黏稠度會隨流速變化，模擬時選用哪種“非牛頓”計算模型，學(xué)界一直缺少統(tǒng)一標準，這也導(dǎo)致不同算法得出的結(jié)果往往差異明顯。該研究在自1919年以來的140項核心研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理并建立了涵蓋剪切稀化、黏彈性及屈服應(yīng)力等特性的血流動力學(xué)計算物理評價體系，為全球相關(guān)科研人員提供了計算模型選取參考。

血流動力學(xué)中主流的非牛頓流體模型。西北工業(yè)大學(xué)供圖

　　據(jù)介紹，該研究確立了血液非牛頓特性的科學(xué)分界點。在該數(shù)值之上，血液的黏稠度基本穩(wěn)定，就像水一樣(可視為普通牛頓流體)；而在此之下(如動脈瘤、血管狹窄區(qū)域)，血液就表現(xiàn)出明顯的“非牛頓”特性，黏稠度會變化，紅細胞更容易聚集。研究系統(tǒng)梳理了包括冪律模型、廣義冪律模型、Cross及其修正模型、Bird-Carreau模型、Carreau-Yasuda模型、Quemada模型等模型在內(nèi)的目前主流的非牛頓流體模型的剪切率適用范圍。

　　血管并不是一根靜止不動的硬管，而是一種柔軟、富有彈性的生命通道。當血液流經(jīng)時，不僅血液的推力會讓血管壁微微擴張，血管自身的搏動也會反過來推擠、引導(dǎo)血液的流動——這種“互相推動、彼此塑造”的動態(tài)，正是醫(yī)學(xué)上所說的“流固耦合”。尤其在動脈瘤或血管嚴重狹窄等病變區(qū)域，血管壁會產(chǎn)生大幅且不規(guī)則的變形，這就使傳統(tǒng)的血流仿真極易失真甚至計算崩潰，難以給出可信的預(yù)測結(jié)果。

　　為此，該研究評價了雙向FSI的整體法與分區(qū)法求解路徑。在分區(qū)法體系下，主流的ALE(任意拉格朗日-歐拉)方法在大變形場景下因頻繁重網(wǎng)格化導(dǎo)致的計算冗余與收斂瓶頸。為突破這一“網(wǎng)格桎梏”，研究介紹了以光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)為代表的無網(wǎng)格方法。SPH方法能夠天然規(guī)避網(wǎng)格扭曲，提升大變形處理靈活性，并實現(xiàn)多相物理界面的精準追蹤。

　　同時，該研究指出，決策并無絕對的“普適解”，研究人員必須在明確具體物理需求的基礎(chǔ)上，權(quán)衡計算精度與資源效率，選擇合適的算法，從而為“數(shù)字實驗”提供真實、可靠的決策判據(jù)。

　　據(jù)悉，該項研究梳理了復(fù)雜血流模擬的現(xiàn)有計算框架，總結(jié)了血管壁變形模擬的不同路徑，并指出了當前非牛頓模擬在數(shù)學(xué)穩(wěn)定性、參數(shù)統(tǒng)一性及靜脈研究等方面的局限性，為未來構(gòu)建高精度患者特定模型、推動精準醫(yī)療奠定了理論基礎(chǔ)。