§ 瀏覽學位論文書目資料
  
系統識別號 U0002-0807201010160000
DOI 10.6846/TKU.2010.00242
論文名稱(中文) 紊流剪力流場中溶血效應的研究
論文名稱(英文) The Study of Hemolysis in a Turbulent Shear Flow
第三語言論文名稱
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中文) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英文) Department of Water Resources and Environmental Engineering
外國學位學校名稱
外國學位學院名稱
外國學位研究所名稱
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生(中文) 嚴仁鴻
研究生(英文) Jen-Hung Yen
學號 697480019
學位類別 碩士
語言別 繁體中文
第二語言別
口試日期 2010-06-18
論文頁數 106頁
口試委員 指導教授 - 盧博堅
委員 - 盧博堅
委員 - 施清吉
委員 - 丁大為
關鍵字(中) 溶血
噴射流
數位質點影像測速系統
雷諾應力
黏滯切應力
關鍵字(英) hemolysis
jet flow
DPIV
Reynolds shear stress
viscous shear stress
第三語言關鍵字
學科別分類
中文摘要
由於血液流經人工器官時,紅血球受到非生理流況產生應力使其外膜破裂,釋放出血紅素到血漿中。而血漿中的自由血紅素是含有毒性的,會造成腎臟及其他器官的衰竭,因此在研發人工器官時,都不期望血球遭受到破壞而引發溶血。故本實驗利用噴射流來形成紊流場,流場量測則使用數位質點影像測速儀,得知流場的分佈,再將清洗過的血球置入流場中進行溶血實驗。雷諾應力及黏滯切應力常被用來估算溶血,因此引用過去學者所做的研究進行驗證的工作。雷諾應力跟隨Sallam[3]所做的實驗,驗證了雷諾應力值為400Pa時血球會遭受到破壞,但本實驗經過主軸平面的轉換後雷諾應力的閥值應為718Pa。而黏滯切應力則利用Sheng[31]與Jones[23]兩種方法進行分析,本實驗做出來的數據計算出來的黏滯切應力大小均符合Jones的研究結果。
英文摘要
When blood passes through the artificial organ, membranes of red blood cells crack due to the shear stress generated by nonphysical flow condition, thus hemoglobin are released from red blood cells and flow into plasma. These free hemoglobin in plasma are toxic. They may cause kidneys or other organ failures. Therefore, under the research and development process of artificial organs, preventing the destruction of blood cells that can lead to hemolysis is certainly the top priority. For this reason, this study aims to create turbulence fields by means of a jet flow, and measure the distribution of flow field and turbulent stresses by using  digital particle image velocimeter (DPIV). The washed porcine blood cells are then put into the flow field to do the hemolytic experiment. The thresholds of the Reynolds shear stress and viscous shear stress are usually put to use to measure the hemolysis. In comparision with previous researchers, this study well compare with that of Sallam and Hwang[1] measured the Reynolds shear stress in free turbulent jet flow and reported values of 400 N/m2 .However, in this study Reynolds shear stress is at 718 N/m2 after the shift between principal axis and plane. Moreover, The viscous shear stress is used Sheng[31] and Jones[23] are two ways to analyze the data from this experiment, the quantity of viscous shear stress confirm the results of Jones’s study.
第三語言摘要
論文目次
目錄
目錄	IV
圖目錄	VI
表目錄	XI
第一章 緒論	1
1-1 前言	1
1-2 研究動機和目的	2
第二章 文獻回顧	3
2-1噴射流	3
2-2應力對血球的影響	6
第三章 實驗設置、方法及資料分析	11
3-1 噴射流場的量測實驗	11
3-1-1 流場設置	11
3-1-2 數位質點影像測速系統	11
3-1-3 實驗方法	13
3-1-4 資料分析	15
3-2 溶血實驗	22
3-2-1 動物血液的處理	22
3-2-2 實驗設置	23
3-2-3 實驗方法	24
3-2-4 樣品分析	25
第四章 結果與討論	28
4-1 流場分析	28
4-1-1 速度分布	28
4-1-2 雷諾切應力分布	29
4-1-3 紊流強度	30
4-1-4 最小紊流尺度	30
4-1-5紊流黏滯切應力	31
4-2血液分析	32
第五章 結論與建議	36
參考文獻	38

 
圖目錄
圖2-1 噴射流能量的生成與消散曲線圖	43
圖2-2 過去文獻對於溶血應力閥值與暴露時間的比較圖	44
圖3-1為噴射管三次曲線圖	45
圖3-2 流場配置圖	46
圖3-3數位質點影像測速系統配置圖	47
圖3-4 溶血實驗流場配置圖	48
圖3 -5血紅素濃度對應吸收值之標準曲線圖(a)	49
圖3 -6血紅素濃度對應吸收值之標準曲線圖(b)	49
圖3 -7 血紅素濃度對應吸收值之標準曲線圖(c)	50
圖4-1.a 各噴口速度流場的平均速度(m/s)等量線圖(Ue=11.37m/s)	51
圖4-1.b 各噴口速度流場的平均速度(m/s)等量線圖(Ue=10.80m/s)	52
圖4-1.c 各噴口速度流場的平均速度(m/s)等量線圖(Ue=10.23m/s)	53
圖4-1.d 各噴口速度流場的平均速度(m/s)等量線圖(Ue=9.66m/s)	54
圖4-1.e 各噴口速度流場的平均速度(m/s)等量線圖(Ue=9.09m/s)	55
圖4-1.f 各噴口速度流場的平均速度(m/s)等量線圖(Ue=8.53m/s)	56
圖4-2.a 各噴口速度流場的平均速度(m/s)向量圖(Ue=11.37m/s)	57
圖4-2.b 各噴口速度流場的平均速度(m/s)向量圖(Ue=10.80m/s)	58
圖4-2.c 各噴口速度流場的平均速度(m/s)向量圖(Ue=10.23m/s)	59
圖4-2.d 各噴口速度流場的平均速度(m/s)向量圖(Ue=9.66m/s)	60
圖4-2.e 各噴口速度流場的平均速度(m/s)向量圖(Ue=9.09m/s)	61
圖4-2.f 各噴口速度流場的平均速度(m/s)向量圖(Ue=8.53m/s)	62
圖4-3.a 各噴口速度流場的雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=11.37m/s)	63
圖4-3.b 各噴口速度流場的雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=10.80m/s)	64
圖4-3.c 各噴口速度流場的雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=10.23m/s)	65
圖4-3.d 各噴口速度流場的雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=9.66m/s)	66
圖4-3.e 各噴口速度流場的雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=9.09m/s)	67
圖4-3.f 各噴口速度流場的雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=8.53m/s)	68
圖4-4.a 各噴口速度流場的無因次雷諾切應力等量線圖(Ue=11.37m/s)	69
圖4-4.b 各噴口速度流場的無因次雷諾切應力等量線圖(Ue=10.80m/s)	70
圖4-4.c 各噴口速度流場的無因次雷諾切應力等量線圖(Ue=10.23m/s)	71
圖4-4.d 各噴口速度流場的無因次雷諾切應力等量線圖(Ue=9.66m/s)	72
圖4-4.e 各噴口速度流場的無因次雷諾切應力等量線圖(Ue=9.09m/s)	73
圖4-4.f 各噴口速度流場的無因次雷諾切應力等量線圖(Ue=8.53m/s)	74
圖4-5 各噴口速度流場在Y=6.5D的雷諾切應力(Pa)分布圖	75
圖4-6.a 各噴口速度流場的最大雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=11.37m/s)	76
圖4-6.b 各噴口速度流場的最大雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=10.80m/s)	77
圖4-6.c 各噴口速度流場的最大雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=10.23m/s)	78
圖4-6.d 各噴口速度流場的最大雷諾切應力(Pa)等量線圖	79
(Ue=9.66m/s)	79
圖4-6.e 各噴口速度流場的最大雷諾切應力(Pa)等量線圖	80
(Ue=9.09m/s)	80
圖4-6.f 各噴口速度流場的最大雷諾切應力(Pa)等量線圖(Ue=8.53m/s)	81
圖4-7.a 各噴口速度流場的軸向紊流強度等量線圖(Ue=11.37m/s)	82
圖4-7.b 各噴口速度流場的軸向紊流強度等量線圖(Ue=10.80m/s)	83
圖4-7.c 各噴口速度流場的軸向紊流強度等量線圖(Ue=10.23m/s)	84
圖4-7.d 各噴口速度流場的軸向紊流強度等量線圖(Ue=9.66m/s)	85
圖4-7.e 各噴口速度流場的軸向紊流強度等量線圖(Ue=9.09m/s)	86
圖4-7.f 各噴口速度流場的軸向紊流強度等量線圖(Ue=8.53m/s)	87
圖4-8.a 各噴口速度流場的Kolmogorov尺度等量線圖(Ue=11.37m/s)	88
圖4-8.b 各噴口速度流場的Kolmogorov尺度等量線圖(Ue=10.80m/s)	89
圖4-8.c 各噴口速度流場的Kolmogorov尺度等量線圖(Ue=10.23m/s)	90
圖4-8.d 各噴口速度流場的Kolmogorov尺度等量線圖(Ue=9.66m/s)	91
圖4-8.e 各噴口速度流場的Kolmogorov尺度等量線圖(Ue=9.09m/s)	92
圖4-8.f 各噴口速度流場的Kolmogorov尺度等量線圖(Ue=8.53m/s)	93
圖4-9.a 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)S等量線圖(Ue=11.37m/s)	94
圖4-9.b 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)S等量線圖(Ue=10.80m/s)	95
圖4-9.c 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)S等量線圖(Ue=10.23m/s)	96
圖4-9.d 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)S等量線圖(Ue=9.66m/s)	97
圖4-9.e 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)S等量線圖(Ue=9.09m/s)	98
圖4-9.f 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)S等量線圖(Ue=8.53m/s)	99
圖4-10.a 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)J等量線圖(Ue=11.37m/s)	100
圖4-10.b 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)J等量線圖(Ue=10.80m/s)	101
圖4-10.c 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)J等量線圖(Ue=10.23m/s)	102
圖4-10.d 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)J等量線圖(Ue=9.66m/s)	103
圖4-10.e 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)J等量線圖(Ue=9.09m/s)	104
圖4-10.f 各噴口速度流場的紊流黏滯切應力(TVSS)J等量線圖(Ue=8.53m/s)	105
圖4-11 溶血參數相對於RSS(Pa)比較圖	106

 
表目錄
表3-1 六個不同速度的流場	14
表3-2 實驗的量測位置、噴口速度及雷諾切應力	24
表4-1 RSS與RSS-Maj在各噴口速度於X=0.8R,Y=6.5D的差異	29
表4-2血液分析和應力值的關係	32
表4-3 針對血球破壞閥值做其他應力的探討	34
表4-4 林志誠[6]的血球破壞閥值結果	34
表4-5 Jones利用文獻計算出來的結果	34
參考文獻
[1]	Sallam, A. H., and Hwang, N. H. C., 1984, ”Human red blood cell hemolysis in turbulent shear flow: Contributions of Reynolds shear stresses,” Biorheology, Vol.21, pp. 783-797.
[2]	Beaver, G.. S. and T.A.Wilson, 1970,”Vortex growth in jets,” Journal of Fluid Mechanics, Vol.44,pp.97-112.
[3]	Sallam,A.M.,1982.”An investigation of the effect of Reynolds shear stress on red blood cell hemolysis.,” PhD thesis.
[4]	Lu PC,Lai HC,LIU JS,2000,”Reynolds shear stress in pulsatile jet,” Biomedical Engineering,Vol.12, pp.223-229.
[5]	Yule,A.J.,1978,”Large-scale structure in the mixing layer of a round jet,” Journal of Fluid Mechanics,Vol.89,pp.413-432.
[6]	林志誠,2009,”雷諾應力對溶血效應研究,”淡江大學水資源及環境工程學系碩士論文.
[7]	Hellums, J. D., and Brown, C. H., 1977, “Blood cell damage by mechanical forces,” Cardiovascular Flow Dynamics and Measurements, N. H. C. Hwang, and N. A. Normann, eds., University Park Press, Baltimore, pp. 799-823.
[8]	Nevaril, C. G., Lynch, E. C., Alfrey, C. P., and Hellums, J. D., 1968, “Erythrocyte damage and destruction induced by shearing stress,” J Lab Clin Med, 71, pp. 784-790.
[9]	Bacher, R. P., and Williams, M. C., 1970, “Hemolysis in capillary flow,” J Lab Clin Med, 76, pp. 485-496.
[10]	Rooney, J. A., 1970, “Hemolysis near an ultrasonically pulsating gas bubble,” Science, 169, pp. 869-871.
[11]	Williams, A. R., Hughes, D. E., and Nyborg, W. L., 1970, “Hemolysis near a transversely oscillating wire,” Science, 169, pp. 871-873.
[12]	Leverett, L. B., Hellums, J. D., Alfrey, C. P., and Lynch, E. C., 1972, “Red blood cell damage by shear stress,” Biophys. J., 12, pp. 257-273.
[13]	Sutera, S. P., Croce, P. A., and Mehrjardi, M. H., 1972, “Hemolysis and subhemolytic alterations of human RBC induced by turbulent shear flow,” Trans. Am. Soc. Artif. Intern. Organs, 18, pp. 335-341.
[14]	Blackshear,P.L.,1972,”Hemolysis at prosthetic,” Chemistry of Biosurface,Vol.2(Ed. Hair M.L.),Marce/Dekker,New York,pp.523-561.
[15]	Mohandas,N., R. M.Hochmuth and E.E.Spaeth,1974,”Adhesion of red cell to foreign surfaces in the presence of flow,”Journal Biomedical Mater Research,Vol.8,pp.119-136.
[16]	Forstrom, R. J., 1969, “A new measure of erythrocyte membrane strength: the jet fragility test,” PhD thesis, University of Minnesota.
[17]	Sutera, S. P., and Mehrjardi, M. H., 1975, ”Deformation and fragmentation of human red blood cells in turbulent shear flow,” Biophys. J., 15(1), pp. 1-10.
[18]	Grigioni, M., Daniele, C., D'Avenio, G., and Barbaro, V., 1999, “A discussion on the threshold limit for hemolysis related to Reynolds shear stress,” J. Biomech.,Vol.32, pp. 1107-1112.
[19]	Schima, H., Muller, M. R., Tsangaris, S., Gheiseder, G., Schlusche, C., Losert, U.,Thoma, H.,and Wolner, E.,1993,”Mechanical blood traumatization by tubing and throttles in in vitro pump tests:experimental results and implications for hemolysis theory,” Artificial Organs,Vol.17,pp.164-170.
[20]	Giersiepen, M., Wurzinger, L. J., Opitz, R., and Reul, H., 1990, “Estimation of shear stress-related blood damage in heart valve prostheses - in vitro comparison of 25 aortic valves,” International Journal of Artificial Organs, 13, pp. 300-306.
[21]	Gu, L., and William, A. S., 2005, “Evaluation of computational models for hemolysis estimation,” ASAIO Journal, 51, pp. 202-207.
[22]	Kawase,Y. and M.Moo-Young, 1990,”Mathematical models for design of bioreactors:applications of Kolmogoroff’s theory of isotropic turbulence,” The Chemical Engineering Journal,Vol.43,pp.1319-1341.
[23]	Jone, S. A., 1995, “A Relationship Between Reynolds Stresses and Viscous Dissipation:Implications to Red Cell Damage, ”Annals of Biomedical Engineering,Vol.23,pp.21-28.
[24]	Ge, L., Dasi, L. P., Sotiropoulos, F., and Yoganathan, A. P., 2008, “Characterization of hemodynamic forces induced by mechanical heart valves: Renolds vs. viscous stresses,” Annals of Biomedical Engineering, 36, pp. 276-297.
[25]	Grigioni, M., Caprari, P., Tarzia, A., and D'Avenio, G., 2005, “Prosthetic heart valves' mechanical loading of red blood cells in patients with hereditary membrane defects,” Journal of Biomechanics, 38(8), pp. 1557-1565.
[26]	Quinlan, N. J. , 2006, “Comment on Prosthetic heart valves’ mechanical loading of red blood cells in patients with hereditary membrane defects by Grigioni et al.,” Journal of Biomechanics 39, 2542–2544.
[27]	Quinlan, N. J., and Dooley, P. N., 2007, “Models of flow-induced loading on blood cells in laminar and turbulent flow, with application to cardiovascular device flow,” Annals of Biomedical Engineering, 35, pp. 1347-1356.
[28]	Liu, J. S., Lu, P. C., and Chu, S. H., 2000, “Turbulence characteristics downsream of bileaflet aortic valva prostheses,” Journal of Biomechanical Engineering, 122, pp. 118-124.
[29]	Dooley, P. N. and Quinlan, N. J. , 2009, “Effect of eddy length scale on mechanical loading of blood cells in turbulent flow,” Annals of Biomedical Engineering, 37, pp. 2449-2458.
[30]	Baldwin, J. T., Deutsch, S., Petrie, H. L., and Tarbell, J. M., 1993, “Determination of principal Reynolds stresses in pulsatile flows after elliptical filtering of discrete velocity measurements,” Journal of Biomechanical Engineering, Vol.115:pp.396-403.
[31]	Sheng, J., Meng, H., and Fox, R. O., 2000, “A large eddy PIV method for turbulence dissipation rate estimation,” Chemical Engineering Science, 55(20), pp. 4423-4434.
[32]	Deardorff, J. D., 1969, “A numerical study of three-dimensional turbulent channel flow at large Reynolds numbers,” Journal of Fluid Mechanics, 41, pp. 453-480.
[33]	Wilcox, D. C., 2000, “Large eddy simulation, Turbulence modeling for CFD,” DCW industries, Inc., pp. 386-395.
[34]	Clark, R. A., Ferziger, J. H., and Reynolds, W. C., 1979, “Evaluation of subgrid-scale models using an accurately simulated turbulent flow,” Journal of Fluid Mechanics, 91, pp. 1-16.
[35]	Liu, S., Menenveau, C., and Katz, J., 1994, “On the properties of similarity subgrid-scale models as deduced from measurements in a turbulence jet,” Journal of Fluid Mechanics, 275, pp. 83-119.
[36]	Smagorinsky, J., 1963, “General circulation experiments with the primitive equation I the basic experiment,” Monthly Weather Review, 91, pp. 99-164.
[37]	Tennekes, H., and Lumley, J. L., 1972,  “A first course in turbulence,” MIT Press, Cambridge, MA.
[38]	Antonia, R.A. , Satyaprakash, B.R. , Hussain, A.K.M.F., 1980, “Measurements of dissipation rate and some other characteristics of turbulent plane and circular jets,” Physics of Fluids, 23, pp. 695-700.
論文全文使用權限
校內
紙本論文於授權書繳交後3年公開
同意電子論文全文授權校園內公開
校內電子論文於授權書繳交後3年公開
校外
同意授權
校外電子論文於授權書繳交後3年公開

如有問題,歡迎洽詢!
圖書館數位資訊組 (02)2621-5656 轉 2487 或 來信