可塌陷管自激振荡的模态特征及流场测量研究

Self-excited oscillations of collapsible tubes play important roles in many physiological phenomena throughout human body. This proposal takes the collapsible tube as the research object and plans to investigate the flow field inside the tube by both experimental and theoretical methods. In the experimental studies, collapsible tubes with low elastic modulus which is the same order of magnitude as that of the human pulmonary artery are employed. By using digital particle image velocimetry as the measurement tool, we plan to measure the velocity field inside the tube during the onset of its self-excited oscillation and investigate the onset mechanism.By comparing the flow structures of collapsible tube with variety parameters, the effects of inertia and wall tension on the oscillation of the collapsible tube are analyzed. Newtonian and Non-Newtonian fluids are used to study the modal characteristics and hysteresis phenomenon to see the effects of fluids properties inside the tubes. By applying small disturbance on the collapsible tube when it is in critical state, we explore a way to actively control the oscillation of the collapsible tube. Based on the experimental results, we will theoretically investigate the propogation of wave on the collapsible tube, give an explaination to the hysteresis phenomenon, and modify the current models to give a better description on the oscillation of collapsible tube. A deeper investigation on it promises a better understand on the physiological oscillation phenomena throughout human body and can be applied in clinical practice in the future.

可塌陷管在流体作用下发生自激振荡的现象广泛存在于人体内，一系列重要的生理学现象都与之相关。本项目以可塌陷管为研究对象，从实验和理论两方面探索可塌陷管自激振荡现象。实验研究选用与人体组织弹性模量相近的低弹性模量高透光率硅胶管，通过粒子成像速度计定量测量可塌陷管自激振荡启动过程中管内流体的运动规律，对比分析不同参数下可塌陷管内部的流场结构及不同惯性和张力条件对可塌陷管自激振荡的影响，分析其启动机制，研究可塌陷管在牛顿流和非牛顿流介质下的自激振荡模态特征和回滞特性，分析不同流体介质对振荡的影响。对处于临界状态的可塌陷管施加外部小扰动，探索对可塌陷管进行主动控制的途径。以实验研究为基础在理论上探索不同模态下行波在可塌陷管上的传播方式并对回滞现象作出解释，完善描述可塌陷管自激振荡的物理模型，更好地描述可塌陷管的自激振荡过程。对这一课题的研究有助于深入理解与之相关的生理学现象并最终应用于临床实践。

可塌陷管的自激振荡是典型的流固耦合现象，研究这一问题具有重要的生理学意义。本项目通过实验研究均匀薄壁可塌陷管自激振荡的类型和可塌陷管内的流场。从力学的角度研究可塌陷管的自激振荡问题，可以进一步深入对生理学相关现象和诊疗过程的认识，指导医学实践。. 本项目设计制作了一套Starling阻力器实验装置及测试系统，系统开展了薄壁可塌陷管自激振荡现象的实验研究，具体的研究内容包括：.通过基于光学测量的方式对可塌陷管柔性管道动态变形进行了测量。发现了低弹性模量硅胶可塌陷管自激振荡现象中存在的两种周期性振荡模态及一种过渡振荡模态，得到了各模态在控制参数图上的分布规律。. 通过数字粒子成像速度计测量技术辅以折射率匹配溶液实现了对低弹性模量可塌陷管内流场的定量测量，分析了在可塌陷管自激振荡过程中流场的变化规律及流体与管壁间流固耦合作用的过程。. 实现对低弹性模量可塌陷管自激振荡模态特征研究，采用流场测量与压力测量相结合的方式，我们对可塌陷管的自激振荡模式进行了细致分析，得出了模态随透壁压力及上下游水头压力的分布控制参数图，并分析了管内压力波与管壁变形波的传播情况，对所观察到的现象进行了初步的理论分析与解释。. 建立可塌陷管的流体-梁耦合模型，通过外加激励，分析了在存在自激振荡与尚未发生自激振荡两种情况下模型对外界激励的响应，发现了锁频与亚临界失稳现象，阐明梁结构在流场中对周期性扰动的响应过程。. 测量了黄原胶水溶液的非牛顿流体性质，研究了非牛顿流体流经可塌陷管时的自激振荡现象，观察到了一种牛顿流体实验中未出现的长周期自激振荡类型。