肝脏中生物流体流动的多重介质渗流模型和数值模拟

本文采用生物渗流理论，建立了肝脏内不同生物流体流动的多重介质渗流模型，采用有限元法求解这种特殊的渗流问题，根据数值计算结果揭示了肝内血液、组织液以及胆汁等的流动规律，并探讨了肝脏血流动力学的一些问题。论文将肝脏内部与生物代谢功能有关的肝血窦和窦周间隙当作两重并存的多孔介质，血液在肝血窦中，以及组织液在窦周间隙中的流动均当作渗流处理，通过Starling公式考虑了两重介质之间的流量交换，从而建立了肝血窦-窦周间隙的双重介质模型。针对肝脏胆汁分泌功能，将肝脏内密布的毛血肝管网当作多孔介质，以受静压及渗透压驱动的流体跨壁流动表示肝汁从肝细胞向毛细肝管的分泌，肝汁在毛细胆管网中的流动作为渗流处理，从而建立了肝汁分泌与输运的双重介质模型。采用有限元法求解了生物流体的双重介质渗流问题，针对非牛顿渗流和两重介质的相互作用，本文发展了一种嵌套迭代方法，即采用直接迭代求解血液在肝血窦中的非线性渗流，采用交替迭代解决双重介质渗流中由跨壁流支引起的相互流体交换，直接迭代嵌套于交替迭代中。这种算法比较有效的解决了包含非牛顿渗流的双重介质渗流问题。根据生物多孔介质中微细管系统的构筑方式以及不同微细管系统之间的联系方式，论文提出将生物多孔介质划分为分级多孔介质和多重多孔介质两种主要类型。基于多相混合物的平均化的理论，论文推导了双重多孔介质中的动量守恒方程、质量守恒方程以及相应的渗流方程，建立了双重多孔介质渗流的平均化模型。基于分级多孔介质渗流的理论，论文将脏器中的血管树按管径分为不同级别的多孔介质，各级血管中和血液流动均作为渗流处理，从而提出了计算脏器整体血流的一种渗流方法。采用这种方法，在论文提出的肝血窦 - 窦周间隙双重介质渗流流模型的基础之上，初步研究了肝脏门静脉系统的血液动力学规律。采用本文提出的肝血窦 - 窦周间隙双重介质模型和胆汁分泌 - 流动的双重介质模型，得到了血液、组织液和胆汁在肝小叶中的压力分布和速度分布，并分析了肝血窦壁的跨壁流动模式，胆汁流量的影响因素，以及窦周间隙中组织液流量与肝血窦中血液流动及肝血窦壁渗透系数等因素的关系，揭示了肝脏内血液、组织液及胆汁等生物流体流动的一般规律。

Numerical approximation of a fractional-in-space diffusion equation (II) - with nonhomogeneous boundary conditions

In this paper, a space fractional di®usion equation (SFDE) with non- homogeneous boundary conditions on a bounded domain is considered. A new matrix transfer technique (MTT) for solving the SFDE is proposed. The method is based on a matrix representation of the fractional-in-space operator and the novelty of this approach is that a standard discretisation of the operator leads to a system of linear ODEs with the matrix raised to the same fractional power. Analytic solutions of the SFDE are derived. Finally, some numerical results are given to demonstrate that the MTT is a computationally e±cient and accurate method for solving SFDE.