反応性成分を含む溶液中の弾性膜構造物群による熱物質輸送に関する数値的研究

含反应组分溶液中弹性膜结构热质传递的数值研究

基本信息

批准号：
13J06473
负责人：
宮内優
金额：
$ 1.15万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

生体膜による物質輸送の定量的な予測は医療応用に関連して重要である。本研究では、流体と柔軟膜の相互作用問題に加えて濃度拡散、化学反応を扱うことができる計算手法の開発を目的とした。生体膜は流体力により容易に変形し、かつ、特定の物質のみを透過させる選択的透過性を有している。このような移動境界上に透過流束に関する条件を与える問題は難しく、未だその数値計算技術は発展途上である。本研究では膜の移動・大変形を取り扱うために膜形状に沿わない流体格子を用いた手法（界面非適合格子法）が有効であると考え、界面非適合格子法による手法の構築を行った。また、物質の膜透過に関して、膜表裏の圧力差と濃度差によって膜を透過する物質流束が生じるモデルを採用した。膜形状に沿わない流体格子で、流体変数（濃度、圧力、速度勾配）の不連続を考慮するために膜表裏の不連続量を組み込んだ有限要素離散式を提案した。この離散化法により、ひとつの流体要素内にシャープな不連続が再現可能となっている。さらに、その不連続量を陰的に扱うことにより、溶質の透過と不透過の両方の性質を示す膜を再現できる手法となっている。溶媒の透過と不透過に関しては検証問題によって提案手法の妥当性を確認し、既存の手法と比べることにより提案手法の優位性を示した。本研究では開発した手法は界面非適合格子法の枠組みで構築されており，柔軟な膜や複数の膜に対する扱いが容易であるといった特長を有する．さらに，溶媒・溶質の透過と不透過の両方を同じ計算アルゴリズムで扱うことのできる汎用性の高さを備えている．当初の計画予定である、化学反応の取り扱いおよび赤血球による物質輸送問題への適用までの研究遂行には至らなかったが、そのベースとなる手法を開発することはできた。

与医疗应用有关的生物膜传输的材料转运的定量预测很重要。这项研究旨在开发一种计算方法，该方法除了流体和柔性膜之间的相互作用问题外，还可以处理浓度扩散和化学反应。生物层很容易被流体力变形，并且具有选择性的渗透性，仅允许特定物质通过。在移动边界上提供有关渗透通量的条件的问题很困难，而且数值计算技术仍在开发过程中。在这项研究中，我们认为使用不符合膜形状的流体晶格的方法（非接口兼容的晶格方法）有效地处理膜运动和较大的变形，因此我们使用接口 - 非兼容的晶格方法构建了一种方法。此外，关于物质的渗透，采用了一个模型，在该模型中，由于压力和膜前后的压力和浓度差异，材料通量渗透到膜上。提议将有限元离散方程式纳入膜前后的不连续性量，以考虑在不符合膜形状的流体晶格中流体变量（浓度，压力，速度梯度）的不连续性。这种离散化方法允许在单个流体元素中繁殖急剧的不连续性。此外，通过以负面的方式处理不连续性的数量，可以再现膜既具有渗透性又表现出不渗透性的膜。关于溶剂的渗透和不渗透，使用验证问题确认了所提出方法的有效性，并与现有方法进行了比较，证明了该方法的优势。这项研究中开发的方法是在与互动晶格方法的框架中构建的，并且具有易于处理灵活的膜和多个膜的优点。此外，它具有高度的用途，允许相同的计算算法处理溶剂和溶质的渗透和不渗透性。尽管没有进行初始计划，但直到化学反应治疗并应用了红细胞运输物质问题，就没有进行研究，开发了基本方法。