西工大团队突破血液流变模拟，为心血管疾病诊断提供新工具

在一项引人注目的研究中，西北工业大学动力与能源学院乔永辉教授团队成功突破了血液流变学领域的难题，精准量化了血液的非牛顿流体现象。这一成果为心血管疾病的模拟诊断提供了重要的科学支撑，相关研究已发表在国际顶级物理学期刊《Physics Reports》上。

研究团队系统梳理了全球血液流变学的已有研究，建立了一个统一的计算物理评价体系，用于复杂血流的模拟。这一体系将帮助医生通过构建患者的“虚拟血管”来辅助诊断心血管疾病，并预测血栓风险。

非牛顿流体的挑战

非牛顿流体的特性使得它们在不同的力作用下呈现出不同的性质。例如，血液在流速加快时会变得更“稀”，这一特性被称为“剪切稀化”。然而，由于血液的复杂性，如何精准量化这一现象一直是血液计算力学领域的难题。

乔永辉教授的团队在自1919年以来的140项核心研究的基础上，系统梳理并建立了涵盖剪切稀化、黏弹性及屈服应力等特性的血流动力学计算物理评价体系。这一体系为全球相关科研人员提供了计算模型选取的参考。

血液流动的科学分界点

研究确立了血液非牛顿特性的科学分界点，将剪切率等于100s^-1作为血液流动性质的分水岭。在此数值之上，血液的黏稠度基本稳定；而在此之下，血液表现出明显的“非牛顿”特性，黏稠度会变化，红细胞更容易聚集。

“这就像我们粉刷墙壁时用的油漆：刷子快速划过时，油漆顺滑地铺开；当你停下刷子时，油漆变得黏稠。”

该研究系统梳理了目前主流的非牛顿流体模型的剪切率适用范围，包括幂律模型、广义幂律模型、Cross及其修正模型、Bird-Carreau模型、Carreau-Yasuda模型、Quemada模型等。

血流模拟中的流固耦合

血管并不是一根静止不动的硬管，而是一种柔软、富有弹性的生命通道。血液流经时，血管壁会微微扩张，血管自身的搏动也会反过来推挤、引导血液的流动，这种动态被称为“流固耦合”（FSI）。

尤其在动脉瘤或血管严重狭窄等病变区域，血管壁会产生大幅且不规则的变形，这使得传统的血流仿真极易失真。为此，研究团队评价了双向FSI的整体法与分区法求解路径，并介绍了以光滑粒子流体动力学（SPH）为代表的无网格方法。

“SPH方法能够天然规避网格扭曲，提升大变形处理灵活性，并实现多相物理界面的精准追踪。”

未来的应用与展望

综上所述，西工大的研究为复杂血流模拟的现有计算框架提供了重要的理论基础，并指出了当前非牛顿模拟在数学稳定性、参数统一性及静脉研究等方面的局限性。这些工作为未来构建高精度患者特定模型、推动精准医疗奠定了基础。

此次研究的发表标志着西工大在医工交叉基础理论领域取得了重要进展，研究高性能流体计算的工程技术与“面向人民生命健康”的战略使命实现了深度契合。

乔永辉教授领导的计算生物流体力学课题组（CBD）目前拥有博士后1名、博士生5名、硕士生10名，已发表学术论文35篇，主持及参与多项国家自然科学基金项目。