中新網西安2月16日電 (記者 阿琳娜)當慢慢攪動一碗濃稠的淀粉水時，它像液體一樣順滑，表現出“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：在強力作用下表現為固體，在弱力或無力作用下表現為液體。

　　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”，在血液流變學中，這種特性被稱為“剪切稀化”。正是生命高效運轉的流體密碼，讓血液能在血管中順暢奔流。

　　血液剪切稀化機制示意圖。西北工業大學供圖

　　由于血液流變的復雜性，如何精準量化這一非牛頓流體現象一直是血液計算力學領域的難題。西北工業大學動力與能源學院喬永輝教授團隊系統梳理了全球血液流變學已有研究成果，旨在為復雜血流模擬建立統一的計算物理評價體系，為心血管疾病模擬診斷提供科學支撐。

　　在臨床實踐中，醫生們可以構建患者專屬的“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，學界一直缺少統一標準，這也導致不同算法得出的結果往往差異明顯。該研究在自1919年以來的140項核心研究的基礎上，系統梳理并建立了涵蓋剪切稀化、黏彈性及屈服應力等特性的血流動力學計算物理評價體系，為全球相關科研人員提供了計算模型選取參考。

　　血流動力學中主流的非牛頓流體模型。西北工業大學供圖

　　據介紹，該研究確立了血液非牛頓特性的科學分界點。在該數值之上，血液的黏稠度基本穩定，就像水一樣(可視為普通牛頓流體)；而在此之下(如動脈瘤、血管狹窄區域)，血液就表現出明顯的“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、引導血液的流動——這種“互相推動、彼此塑造”的動態，正是醫學上所說的“流固耦合”。尤其在動脈瘤或血管嚴重狹窄等病變區域，血管壁會產生大幅且不規則的變形，這就使傳統的血流仿真極易失真甚至計算崩潰，難以給出可信的預測結果。

　　為此，該研究評價了雙向FSI的整體法與分區法求解路徑。在分區法體系下，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格化導致的計算冗余與收斂瓶頸。為突破這一“網格桎梏”，研究介紹了以光滑粒子流體動力學(SPH)為代表的無網格方法。SPH方法能夠天然規避網格扭曲，提升大變形處理靈活性，并實現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上，權衡計算精度與資源效率，選擇合適的算法，從而為“數字實驗”提供真實、可靠的決策判據。

　　據悉，該項研究梳理了復雜血流模擬的現有計算框架，總結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學穩定性、參數統一性及靜脈研究等方面的局限性，為未來構建高精度患者特定模型、推動精準醫療奠定了理論基礎。(完)