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Damien P.休特。;安东尼·沃克斯

适用于大型复杂区域中浸没生物胶囊的笛卡尔坐标自适应前向跟踪解算器。 （英语） Zbl 07742909号

J.计算。物理学。 492，文章ID 112424，29 p.（2023）.
摘要：我们提出了一种用于粘性流中生物胶囊的开放源代码自适应前跟踪解算器。采用线性有限元法和抛物面拟合法，在拉格朗日三角剖分上求解膜的弹性和弯曲力。使用开源平台Basilisk在八叉树自适应网格上求解流体流动。拉格朗日网格和欧拉网格通过类Peskin正则Diracδ函数使用浸没边界法进行通信。我们通过广泛的验证来证明我们的解算器的准确性：在Stokes条件下与边界积分法相比，以及在惯性存在下与类似（但不是自适应）的前跟踪解算器相比。显示了良好的定性和定量协议。然后，我们演示了本求解器在具有极端膜变形、超大计算域和高体积分数的挑战性情况下的鲁棒性。此外，我们还说明了该求解器在复杂STL定义几何体中模拟惯性胶囊载流的能力，为具有大型三维通道结构的生物工程应用打开了大门。本文中提供的源代码和所有测试用例都是免费的。

MSC公司：

7.6亿 流体力学基本方法
74英尺xx英寸 固体力学与其他效应的耦合
76天xx 不可压缩粘性流体

关键词：

可变形胶囊;复杂几何形状;自适应笛卡尔八叉树网格;惯性流;开源代码

软件：

蜥蜴;水蝇
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
\textit{D.P.Huet}和\textit{A.Wachs}，J.Compute。物理学。492，文章ID 112424，29 p.（2023；Zbl 07742909）
全文： 内政部 arXiv公司

参考文献：

[1] Dewhirst，M.W。；Secomb，T.W.，《药物从血管到肿瘤组织的转运》，《国家癌症评论》，17、12、738-750（2017）
[2] Puleri，D.F。；巴洛夫，P。；Randles，A.，《癌细胞通过微循环转运的计算模型》，《生物技术》。模型。机械双醇。，20, 4, 1209-1230 (2021)
[3] 巴洛格，P。；J.Gounley。；Roychowdhury，S。；Randles，A.，微循环转运过程中癌症细胞力学建模的数据驱动方法，科学。代表，11，1，1-18（2021年）
[4] 伊斯兰扎达，E。；马修斯，K。；郭，Q。；Santoso，A.T。；达菲，S.P。；医学博士斯科特。；Ma，H.，基于可变形性的储存红细胞分类揭示了供体或依赖性老化曲线，Lab Chip，20，2，226-235（2020）
[5] 巴扎兹，S.R。；Mihandust，A。；所罗门，R。；Joushani，H.A.N。；李伟（Li，W.）。；阿米里·H·A。；Mirakhorli，F。；Zhand，S。；什雷斯塔，J。；Miansari，M.，《细胞和颗粒刚性惯性分离和富集（z上升）的锯齿形微通道》，实验室芯片，22，21，4093-4109（2022）
[6] Takeishi，N。；山下，H。；Omori，T。；横山，N。；瓦达，S。；Sugihara-Seki，M.，圆形通道中牛顿流体下红细胞的惯性迁移，arXiv预印本
[7] Gangadhar，A。；Vanapalli，S.A.，微流体迷宫装置中颗粒和细胞的惯性聚焦：急转弯的作用，生物微流体，16，4，文章044114 pp.（2022）
[8] 方，Y。；朱，S。；Cheng，W。；镍，锌。；Xiang，N.，使用微型惯性微流体离心机高效提取生物颗粒，实验室芯片，22，18，3545-3554（2022）
[9] 巴特斯·比塞尔，D。；Rallison，J.，在线性剪切流中自由悬浮的胶囊的时间依赖性变形，J.流体力学。，113, 251-267 (1981) ·Zbl 0493.76129号
[10] Pozrikidis，C.，简单剪切流中由弹性膜封闭的液体胶囊的有限变形，J.流体力学。，297, 123-152 (1995) ·Zbl 0859.73053号
[11] 拉马努扬，S。；Pozrikidis，C.，简单剪切流中由弹性膜包裹的液体胶囊的变形：大变形和流体粘度的影响，《流体力学杂志》。，361117-143（1998年）·Zbl 0921.76058号
[12] 艾格尔顿，C.D。；Popel，A.S.，简单剪切流中红细胞鬼影的大变形，Phys。流体，10，8，1834-1845（1998）
[13] Pozrikidis，C.，膜弯曲刚度对简单剪切流中胶囊变形的影响，《流体力学杂志》。，440, 269 (2001) ·Zbl 1107.74307号
[14] Pozrikidis，C.，红细胞流动诱导变形的数值模拟，Ann.Biomed。工程，31，10，1194-1205（2003）
[15] 赵，H。；Isfahani，A.H。；奥尔森，L.N。；Freund，J.B.，《流动血细胞的光谱边界积分法》，J.Compute。物理。，229, 10, 3726-3744 (2010) ·Zbl 1186.92013号
[16] Lac，E。；巴特斯·比塞尔，D。；Pelekasis，北卡罗来纳州。；Tsamopoulos，J.，《三维无界Stokes流中的球形胶囊：膜本构关系和屈曲开始的影响》，J.流体力学。，516, 303-334 (2004) ·Zbl 1131.74306号
[17] Lac，E。；莫雷尔，A。；Barthès-Biesel，D.，简单剪切流中两个相同胶囊之间的流体动力学相互作用，《流体力学杂志》。，573, 149-169 (2007) ·兹比尔1119.76330
[18] Bagchi，P.，小血管内血流的中尺度模拟，生物物理。J.，92，6，1858-1877（2007）
[19] Doddi，S.K。；Bagchi，P.，《胶囊在平面内的横向迁移——河道中的泊松流》，国际期刊Multiph。流量，34，10，966-986（2008）
[20] 亚兹达尼，A.Z。；Bagchi，P.，稀释剪切流中单个红细胞和双凹面胶囊的相图和呼吸动力学，Phys。B版，84，2，第026314条，pp.（2011）
[21] 亚兹达尼，A。；Bagchi，P.，使用前沿跟踪方法对囊泡动力学进行三维数值模拟，Phys。B版，85，5，第056308条pp.（2012）
[22] 亚兹达尼，A。；Bagchi，P.，剪切流中膜粘度对胶囊动力学的影响，J.流体力学。，718, 569-595 (2013) ·兹比尔1284.76426
[23] Doddi，S.K。；Bagchi，P.，《惯性对简单剪切流中两个液体胶囊之间的流体动力相互作用的影响》，国际期刊Multiph。流量，34，4，375-392（2008）
[24] 巴洛夫，P。；Bagchi，P.，《模拟复杂几何形状中细胞级血流的计算方法》，J.Compute。物理。，334, 280-307 (2017)
[25] 巴洛夫，P。；Bagchi，P.，《模拟微血管网络分叉处红细胞分配分析》，Phys。流体，30，5，第051902条pp.（2018）
[26] 李，X。；Sarkar，K.，《弹性膜封闭液膜的变形和屈曲失稳的前跟踪模拟》，J.Compute。物理。，227, 10, 4998-5018 (2008) ·Zbl 1388.74038号
[27] 张杰。；P.C.约翰逊。；Popel，A.S.，《模拟可变形液体胶囊的浸没边界晶格Boltzmann方法及其在微观血流中的应用》，Phys。生物学，4，4，285（2007）
[28] 张杰。；约翰逊，P.C。；Popel，A.S.，用格子Boltzmann方法模拟剪切流中红细胞聚集和分离，J.Biomech。，41, 1, 47-55 (2008)
[29] 艾姆斯，J。；Puleri，D.F。；巴洛夫，P。；J.Gounley。；Draeger，E.W。；Randles，A.，多GPU沉浸边界法血流动力学模拟，计算机J。科学。，第44条，第101153页（2020年）
[30] Fedosov，D.A。；卡斯维尔，B。；Karniadakis，G.E.，具有精确力学、流变学和动力学的多尺度红细胞模型，生物物理学。J.，98，10，2215-2225（2010）
[31] 希特，C.W。；Nichols，B.D.，自由边界动力学的流体体积（VOF）方法，计算机杂志。物理。，39, 1, 201-225 (1981) ·Zbl 0462.76020号
[32] Brackbill，J.U。；科特，D.B。；Zemach，C.，《模拟表面张力的连续体方法》，J.Compute。物理。，100, 2, 335-354 (1992) ·Zbl 0775.76110号
[33] Tryggvason，G。；邦纳，B。；Esmaeeli，A。；Juric，D。；Al Rawahi，北。；Tauber，W。；韩，J。；Nas，S。；Jan，Y.-J.，多相流计算的前置跟踪方法，J.Compute。物理。，169, 2, 708-759 (2001) ·Zbl 1047.76574号
[34] Popinet，S.，《表面张力驱动界面流动的精确自适应解算器》，J.Compute。物理。，228, 16, 5838-5866 (2009) ·兹比尔1280.76020
[35] 科特特，G.-H。；Maitre，E.，《与浸没表面流体-结构相互作用的水平集方法》，数学。模型方法应用。科学。，16, 03, 415-438 (2006) ·Zbl 1088.74050
[36] Ii、S。；龚，X。；杉山，K。；吴杰。；黄，H。；Takagi，S.，采用平滑流体体积方法的全欧拉流体-膜耦合方法，Commun。计算。物理。，12, 2, 544 (2012) ·Zbl 1373.76173号
[37] Ii、S。；杉山，K。；Takagi，S。；Matsumoto，Y.，《包含多个红细胞和血小板的毛细血管中的计算血流分析》，J.Biomech。科学。工程师，7，1，72-83（2012）
[38] Ii、S。；清水，K。；杉山，K。；Takagi，S.，基于欧拉流体-胶囊与拉格朗日标记耦合的细胞粘附过程的连续性和随机方法，J.Compute。物理。，374, 769-786 (2018) ·Zbl 1416.74102号
[39] Uhlmann，M.，《模拟颗粒流的直接强迫浸没边界法》，J.Compute。物理。，209，2448-476（2005年）·Zbl 1138.76398号
[40] Kempe，T。；Fröhlich，J.，一种改进的浸没边界法，用于模拟颗粒载流，J.Compute。物理。，231, 9, 3663-3684 (2012) ·Zbl 1402.76143号
[41] Breugem，W.-P.，《颗粒流完全解析模拟的二阶精确浸没边界法》，J.Compute。物理。，231, 13, 4469-4498 (2012) ·兹比尔1245.76064
[42] 罗马，A。；Peskin，C。；Berger，M.，浸没边界法的自适应版本，J.Compute。物理。，153, 2, 509-534 (1999) ·Zbl 0953.76069号
[43] 格里菲斯，B.E。；Hornung，R.D。；McQueen博士。；Peskin，C.S.，浸入式边界法的一种自适应形式上的二阶精确版本，J.Compute。物理。，223, 1, 10-49 (2007) ·兹比尔1163.76041
[44] 瓦内拉，M。；Posa，A。；Balaras，E.，《浸没边界法的自适应网格细化》，J.Fluids Eng.，136，4，第040909页，（2014）
[45] Agresar，G。；林德曼，J。；Tryggvason，G。；Powell，K.，《循环细胞运动、变形和粘附的自适应笛卡尔前跟踪方法》，J.Compute。物理。，143, 2, 346-380 (1998) ·Zbl 0935.76047号
[46] 郑，Z。；Wachs，A.，《用于颗粒流颗粒重解模拟的自适应八叉树网格上的浸没边界/多松弛时间格子Boltzmann方法》，J.Compute。物理。，第111669条pp.（2022）·Zbl 07605617号
[47] Popinet，S.，Gerris：复杂几何中不可压缩Euler方程的基于树的自适应求解器，J.Compute。物理。，190, 2, 572-600 (2003) ·Zbl 1076.76002号
[48] Popinet，S.，《Serre-Green-Naghdi方程的四叉树自适应多重网格解算器》，J.Compute。物理。，302, 336-358 (2015) ·Zbl 1349.76377号
[49] Huet，D.P.（2023），[链接]
[50] 格林，A.E。；Adkins，J.E.，《大弹性变形和非线性连续介质力学》（1960），克拉伦登出版社·Zbl 0090.17501号
[51] 巴特斯·比塞尔，D。；迪亚兹，A。；Dhenin，E.，二维膜的本构关系对流动诱导胶囊变形的影响，《流体力学杂志》。，460, 211-222 (2002) ·兹比尔1066.74023
[52] 查里尔，J。；Shrivastava，S。；Wu，R.，与热成型非轴对称问题相关的弹性膜自由膨胀和约束膨胀，J.应变分析。工程设计。，24, 2, 55-74 (1989)
[53] Helfrich，W.，脂质双层的弹性特性：理论和可能的实验，Z.Naturforsch。，C、 28,11-12693-703（1973）
[54] Guckenberger，A。；Gekle，S.，计算Helfrich弯曲力的理论和算法：综述，J.Phys。康登斯。Matter，29，20，第203001条pp.（2017）
[55] Barthes-Biesel，D.，流动中弹性胶囊和囊泡的运动和变形，年。流体力学版次。，48, 25-52 (2016) ·Zbl 1356.76459号
[56] Guckenberger，A。；Schraml，M.P。；Chen，P.G。；Leonetti，M。；Gekle，S.，关于流中软对象的弯曲算法，计算。物理学。社区。，207, 1-23 (2016) ·Zbl 1375.76128号
[57] Chorin，A.J.，Navier-Stokes方程的数值解，数学。计算。，22, 104, 745-762 (1968) ·Zbl 0198.50103号
[58] 贝尔，J.B。；科尔拉，P。；Glaz，H.M.，《不可压缩Navier-Stokes方程的二阶投影法》，J.Compute。物理。，85, 2, 257-283 (1989) ·Zbl 0681.76030号
[59] Van Hooft，J.A.（范·霍夫特，J.A.）。；波皮内特，S。；Van Heerwaarden，C.C。；范德林登，S.J。；de Roode，S.R。；Van de Wiel，B.J.，《朝向大气边界层模拟的自适应网格》，Bound-层Meteorol。，167, 3, 421-443 (2018)
[60] Johansen，H。；Colella，P.，《不规则区域上泊松方程的笛卡尔网格嵌入边界法》，J.Compute。物理。，147, 1, 60-85 (1998) ·Zbl 0923.65079号
[61] 科尔拉，P。；格雷夫斯，D.T。；Keen，B.J。；Modiano，D.，《双曲守恒律的笛卡尔网格嵌入边界法》，J.Compute。物理。，211, 1, 347-366 (2006) ·Zbl 1120.65324号
[62] Popinet，S.（2018），[链接]
[63] Ghigo，A.（2021），[链接]
[64] S.O.Unverdi。；Tryggvason，G.，《粘性、不可压缩、多流体流动的前跟踪方法》，J.Compute。物理。，100, 1, 25-37 (1992) ·兹比尔0758.76047
[65] Peskin，C.，《心脏血流的数值分析》，J.Compute。物理。，25, 3, 220-252 (1977) ·Zbl 0403.76100号
[66] 卢，L。；莫尔斯，M.J。；Rahimian，A。；斯塔德勒，G。；Zorin，D.，真实体积分数红细胞流经血管网络的可缩放模拟，（高性能计算、网络、存储和分析国际会议论文集（2019）），1-30
[67] Peskin，C.，浸没边界法，数值学报。，11, 1, 479-517 (2002) ·Zbl 1123.74309号
[68] 鲁·R。；王，Z。；萨尔萨克，A.-V。；Barthès-Biesel，D。；Wang，W。；Sui，Y.，分支微通道中一系列球形胶囊的路径选择，J.流体力学。，923 (2021) ·Zbl 1516.76088号
[69] 李毅。；荣格，E。；Lee，W。；Lee，H.G。；Kim，J.，两相流体流动的体积保持浸没边界法，国际期刊Numer。《液体方法》，69，4，842-858（2012）·Zbl 1253.76077号
[70] 门德斯，S。；Gibaud，E。；Nicoud，F.，《模拟任意雷诺数下流动中可变形颗粒的非结构化解算器》，J.Compute。物理。，256465-483（2014）·Zbl 1349.76944号
[71] Sigüenza，J。；门德斯，S。；Ambard，D。；Dubois，F。；Jourdan，F。；Mozul，R。；Nicoud，F.，《模拟可变形膜的流体-结构相互作用的浸没厚边界方法的验证》，J.Compute。物理。，322, 723-746 (2016) ·Zbl 1351.76080号
[72] Farutin，A。；Biben，T。；Misbah，C.，囊泡和不可拉伸胶囊动力学的三维数值模拟，J.Compute。物理。，275, 539-568 (2014) ·Zbl 1349.76416号
[73] 梅耶，M。；德斯布伦，M。；施罗德，P。；Barr，A.H.，三角2-流形的离散微分几何算子，（可视化与数学III（2003），Springer），35-57·Zbl 1069.53004号
[74] Huet，D.P.（2022），[链接]
[75] Huet，D.P.（2023），[链接]
[76] 科列娃，I。；Rehage，H.，聚硅氧烷微胶囊在线性剪切流中的变形和取向动力学，软物质，8，13，3681-3693（2012）
[77] Walter，J。；沙萨克，A.-V。；Barthès-Biesel，D。；Le Tallec，P.，Stokes流中胶囊的有限元和边界积分方法耦合，国际期刊数值。方法工程，83，7，829-850（2010）·兹比尔1197.74187
[78] Huet，D.P.（2023），[链接]
[79] 朱，L。；Brandt，L.，《变形胶囊通过角落的运动》，J.流体力学。，770, 374-397 (2015) ·Zbl 1337.76076号
[80] Le，D.V.，剪切流中弯曲刚度对薄壳包裹的液体胶囊变形的影响，Phys。E版，82，1，第016318条，pp.（2010）
[81] Huet，D.P.（2023），[链接]
[82] 帕克，S.-Y。；Dimitrakopoulos，P.，微流体收缩中弹性胶囊的瞬态动力学，软物质，9，37，8844-8855（2013）
[83] Huet，D.P.（2023），[链接]
[84] Pozrikidis，C.，红细胞的静止形状和自发膜弯曲，数学。医学生物学。，22, 1, 34-52 (2005) ·兹比尔1070.92018
[85] Pozrikidis，C.，《胶囊和生物细胞的计算流体动力学》（2010），施普林格出版社：柏林施普林格·Zbl 1446.92003号
[86] Huet，D.P.（2023），[链接]
[87] Huet，D.P.（2023），[链接]
[88] Huet，D.P.（2023），[链接]
[89] Huet，D.P.（2023），[链接]
[90] Huet，D.P.（2023），[链接]
[91] Huet，D.P.（2023），[链接]
[92] 朱，L。；罗莱，C。；密特拉·D。；Brandt，L.，通过可变形性对胶囊进行分类的微流体设备：一项数值研究，Soft Matter，10，397705-7711（2014）
[93] Huet，D.P。；Morente，A。；Gai，G。；Wachs，A.，惯性和非惯性状态下流经角落的胶囊的运动和变形，arXiv预印本
[94] Huet，D.P.（2023），[链接]
[95] Huet，D.P.（2023），[链接]
[96] 塞卢克，C。；Ghigo，A.R。；波皮内特，S。；Wachs，A.，一种在自适应四叉树/八叉树上使用分布式拉格朗日乘子的虚拟域方法，用于粒子流的直接数值模拟，J.Compute。物理。，430，第109954条pp.（2021）·Zbl 07506513号
[97] Huet，D.P.，《满载可变形胶囊和固体颗粒的生物流的数值方法》（2023年），不列颠哥伦比亚大学博士论文
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