基于浸入边界—格子Boltzmann方法的复杂弹性血管内红细胞迁移与变形机理研究

Investigation of the migration and deformation mechanism of red blood cells is of great importance to the understanding and clinical diagnosis of various blood diseases. Numerical simulation is an efficient tool for the study of such complex problems. This project intends to take advantage of mesoscopic lattice Boltzmann (LB) method，which is coupled with immersed boundary (IB) method, and develop applicable numerical scheme for complex boundary to construct a suitable IB-LB model to simulate the migration and deformation of red blood cell in three-dimensional complex elastic vascular; at the same time, in order to solve the heavy calculation consume while simulating blood flow, the GPU parallel computing technology is utilized, the implementation and optimization of IB-LB model on CPU + GPU platforms is detailed studied. On this basis, this project will explore the migration and deformation mechanism of red blood cells in complex elastic vessels, then analyze the impact of complex vascular geometry, vascular wall elasticity and boundary conditions on the migration and deformation of red blood cells.

血管中红细胞迁移方式和形态的研究对于认识各种血液疾病和临床诊断均具有重要意义。数值模拟是研究此类复杂问题的高效工具。本项目拟利用介观格子 Boltzmann (LB) 方法，结合浸入边界法(Immersed Boundary, IB)，构建合适的边界条件，建立模拟三维复杂弹性血管中红细胞迁移与变形的 IB-LB 模型；同时，为解决数值研究所面临的大规模计算量问题，拟结合 GPU 并行计算技术，深入讨论 IB-LB 模型在 CPU+GPU 平台的高效并行算法设计与优化；在此基础上，探讨复杂弹性血管中红细胞迁移与变形机理，分析复杂血管几何结构、血管壁弹性和边界条件对红细胞迁移方式和形态的影响。

红细胞是血液的重要组成成份，对血管中红细胞迁移和变形机理的研究有助于深入对多种血液疾病的认识及其临床诊断。数值模拟是研究此类复杂问题的有效途径。在众多数值方法中，耦合浸入边界法(Immersed Boundary, IB)的介观格子Boltzmann (LB) 方法是研究此类包含可变形结构的流体问题的高效求解工具。本项目利用浸入边界法——格子Boltzmann方法，深入地研究了复杂血管中红细胞的迁移与变形，主要内容包括：(1)针对数值模拟中巨大计算资源消耗的难题，本项目基于GPU平台，构建了适宜于研究红细胞动力学行为的高效并行算法。在不同GPU上的测试表明，所设计的算法具有较理想的加速效果。(2)系统研究了血管的复杂结构对于红细胞的运动方式及形态的影响，包括血管内狭窄处、分叉血管处等区域，细致讨论了流体动力学参数及红细胞结构参数的影响。(3)分析了血液中红细胞的分布规律，及红细胞与血小板之间的相互作用。(4)在以上研究的基础上，展开了三维红细胞运动的数值模拟。本项目所建立的算法及程序，还可应用于其他类似的流固耦合问题，例如血管中纳米药物的输送、肿瘤细胞的迁移，以及生物体的飞行和游动等问题。