血流动力学基础第一次课2014课件.ppt

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1、1,血流动力学基础,庄银苹,2,教学要求,1.掌握理想流体稳定流动的概念；掌握连续性方程及伯努利方程的物理意义并熟练应用；掌握泊肃叶定律的意义和应用。2.理解粘性流体伯努利方程的物理意义、层流、湍流、雷诺数、斯托克司定律及应用。3.了解微循环的流动效应,3,第一节 流体的流动,一、理想流体二、稳定流动三、连续性方程,4,流体的特点：流动性、粘性和可压缩性流动性：是流体最基本的特性粘性：即运动着的流体中速度不同的各流体层之间 存在着沿切向的粘性阻力（内摩擦力）可压缩性：实际流体都是可压缩的，特别是对气体,一、理想流体（ideal liquid）,5,对于实际流体： 1、像水和酒精的粘性很小，气体

2、的粘性更小 2、一般液体的可压缩性很小气体的可压缩性比较大，但对于可流动的气体，在比较小的压强下，气体密度变化很小（即体积变化很小），此时的气体的可压缩性也可忽略。,所以：流动性是决定流体运动的主要因素 可压缩性和粘性是影响流体运动的次要因素,理想流体：绝对不可压缩、完全没有粘滞性的流体,6,二、稳定流动（ steady flow ）,液体质点经过空间某一定点速度不随时间改变的流动,7,对于一般流体：它的流速既是空间坐标的函数又是时间的函数，即：,流场：流体中的每一点的流速随空间的分布称为流体速度场。,如果空间任意点流体质元的流速不随时间变化，则这种流动叫定常流动，则：,8,A、流线：在流体流

3、动的空间，做一些曲线，使曲线上任何一点的切线方向都与流体通过该点时速度方向一致，这些曲线就叫做流线。 流线的特点： 不相交 定常流动的流体其流线分布不随时间变化,B、流管：在运动的流体中取一横截面，经过该截面周界的流线就组成一个管状体，这个管状体就叫流管。,定常流动的流体，流管中的流体只能在流管中流动而不会流出管外，流管外的流体也不会流入管内.,10,三、连续性方程,流量：单位时间内通过某一流管内任意横截面的流体的体积叫做该横截面的体积流量，简称流量，用Q表示。,单位： 量纲：,平均流速 ，,11,连续性方程：对于不可压缩的定常流动的流体，在某一流管中取两个与流管垂直的截面s1 和s2，流体在

4、两截面处的流速分别为： 和 ，流量分别为Q1和Q2 ，则有：Q1Q2,该式表明：不可压缩的流体做定常流动时，流管的横截面与该处平均流速的乘积为一常量。对于不可压缩的均匀流体，各点的密度 是个常量。,12,所以：单位时间内流过任一截面的流管内的流体质量是常量，因此连续性方程说明流体在流动中质量守恒,实际上输送理想流体的刚性管道可视为流管，若管有分支，则不可压缩流体在各分支管中的流量之和等于总流量，则连续性方程为：,13,第二节 伯努利方程,丹伯努利(Daniel Bernoull, 1700-1782)瑞士科学家.1738年伯努利(D. Bernoulli)提出了著名的伯努利方程.它是利用功能原

5、理推导得到.功能原理：机械能的改变量等于外力和非保守内力做功的代数和.,14,第二节 伯努利方程及其应用一、伯努利方程丹伯努利(Daniel Bernoull, 1700-1782)瑞士科学家.1738年伯努利(D. Bernoulli)提出了著名的伯努利方程.它是利用功能原理推导得到.功能原理：机械能的改变量等于外力和非保守内力做功的代数和.,15,16,17,18,一、层流和湍流,粘性流体的流动形态：层流、湍流、过渡流动,1.层流：,流体分层流动，相邻两层流体间只作相对滑动，流层间没有横向混杂。,第三节 黏性流体的流动,甘油缓慢流动,层流示意图,19,20,21,22,23,24,25,三

6、、雷诺数, 决定粘性流体在圆筒形管道中流动形态的因素：,速度v、密度、粘度、管子半径 r, 雷诺提出一个无量纲的数雷诺数作为流体由层流向湍流转变的判据, 实验证明：,层流,过渡流,湍流,26,27,28,第四节 粘性流体的运动规律,一、粘性流体的伯努利方程,在讨论粘性流体的运动规律时，可压缩性仍可忽略，但其粘性必须考虑。,采用与推导伯努利方程相同的方法，考虑流体要克服粘性力做功，其机械能不断减少并转化为热能，可以得到,粘性流体作稳定流动时的伯努利方程, 单位体积的不可压缩的粘性流体流动时， 克服粘性力所做的功或损失的能量。,29,若粘性流体在水平等粗细管中作稳定流动，,因此，若使粘性流体在水平

7、等粗管中作稳定流动，细管两端必须维持一定的压强差。,若粘性流体在开放的等粗细管中作稳定流动，,因此，细管两端必须维持一定的高度差。,两种特殊情况：,30,二、泊肃叶定律,不可压缩的牛顿流体在水平等粗圆管中作稳定流动时，如果雷诺数不大，则流动的形态是层流。要想维持液体的稳定流动，管子两端必须维持一定的压强差。,1. 泊肃叶定律,实验证明：,在水平均匀细圆管内作层流的粘性流体，其体积流量与管子两端的压强差 成正比。,即, 管子半径, 流体粘度, 管子长度, 压强差,31,32,33,34,35,36,三、斯托克斯定律,1、斯托克斯定律,固体在粘性流体中运动时将受到粘性阻力作用，若物体的运动速度很小

8、，它所受的粘性阻力可以写为,比例系数 k 由物体形状决定。,对于球体，若半径为 R ，则 k = 6 ，, 斯托克斯定律,37,2、收尾速度（沉降速度）,当半径为 R 、密度为 的小球在粘度为 、密度为 （ ） 的粘性流体中竖直下落时，它所受力,当三力达到平衡时，小球将以匀速度 下落，, 收尾速度（沉降速度）,38,应用：, 在已知 R、 、 的情况下，只要测得收尾速度便可以 求出液体的粘滞系数 。, 在已知 、 、 的情况下，只要测得收尾速度便可以 求出球体半径 R 。,39,第五节 血液在循环系统中的流动,一、血液的组成及特性,1、组成,血液是非牛顿流体，其粘度不是常数。,40,2、特性,

9、 具有屈服应力：,只有当切应力超过某一数值后，才发生流动，低于这一数值则不发生流动。,能够引起流体发生流动的最低切应力值叫屈服应力或致流应力。, 具有粘弹性, 具有触变性,在一定的切应力作用下，血液粘度会随着切应时间的推移而降低，如果切应的时间足够长，粘度下降到一定程度后则不再降低。血液粘度随切变时间延长而降低的这种特征称为血液的触变性,41,血流速度分布,1血液在血管中的流动基本上是连续的。,2脉搏波：传播速度约为 810 m/s，它与血液的流速不同。,截面积S是指同类血管的总截面积。,流速v是指截面上的平均流速。,说明：,42,血流过程中的血压分布,血压是血管内血液对管壁的侧压强。,1收缩

10、压 舒张压 脉压,2平均动脉压 ：一个心动周期中动脉血压的平均值。,注意：平均动脉压并不是收缩压和舒张压的平均值，平时常用舒张压加上1/3脉压来估算。,- =,43,3 全部血液循环系统的血压变化曲线,由于血液是粘性流体，故血压在体循环过程中是不断下降的。,血压的高低与流量、流阻及血管的柔软程度有关。,44,第六节 微循环血流,45,一、微循环的基本概念(microcirculation),是小动脉与小静脉之间的毛细血管中的血液循环，具体说是指微动脉、后微动脉、毛细血管、微静脉范畴内的血液循环。,动脉和静脉的横切面,三种血管关系示意图,静脉瓣活动示意图,46,（二）微循环的特点及脏器微血管构型

11、,1.微循环的血流特点,（1）非连续性介质，是RBC与血浆的二相流。,毛细血管中红细胞的个性将直接影响微血管，特别是毛细血管的血流特性。此时RBC与管壁间的作用不容忽视。,47,（2）微血管数目多,毛细血管的每根长度约为0.5-1mm，全身毛细血管数目约400亿根，总长约911万公里，可围绕地球2周半。总长占全身血管总长的90% 。,（3）管径细、管壁薄,微循环血管的直径100m15dRBC 。毛细血管的直径d10m，厚度0.5m。管壁薄，通透性好，是实现血液与组织细胞间物质交换的主要场所。,（4）存在血浆层,（5）毛细血管不可以扩张,48,（6）血压低,动脉血压在细动脉中明显下降,人体毛细血

12、管平均血压为2.7kPa-3.3kPa。,动脉端：4.0kPa-5.3kPa,静脉端：1.3kPa-2.0kPa,中段：3.3kPa,49,（7）流速慢、雷诺数Re小,平均约0.4mm/s-1mm/s，有利于物质交换,惯性力可忽略,毛细血管中Re=10-210-4,(8)潜在容量大,总有效面积约1000m2.,50,（9）灌流量易变,细动脉的舒缩、分支口、狭窄部WBC、PLT的瞬时阻塞血压梯度、血流速度的改变灌注流量改变。,微动脉的平滑肌有舒缩功能。这种功能可调节微血管中的流态。,51,（10）毛细血管壁是可泄漏的,很多不能通过细胞膜的物质大多能够通过毛细血管壁，以保证跨毛细血管壁的物质交换。

13、,52,微循环的流动效应,53,一、微循环血流的流态,影响微循环流态的因素（1）心脏搏动周期性节律的影响（规律性）。（2）微血管自发节律性舒缩运动的影响（规律性）。（3）血细胞及其凝聚团块与血管壁间的相互作用的影响（无规律）。,（一）血液在微血管中的流动状态,1.搏动流,不同脏器的微血管血流随心脏的节律性运动所呈的搏动性流动。,54,2.间歇流,微动脉、微静脉平滑肌、毛细血管前括约肌有节律舒缩造成的间歇性流动，其周期约为9s。,3.塞流,在很细的微血管中，红细胞直径与血管直径相近，在中心移动的红细胞与其周边的血浆层以相似的速度流动，这种流动形式称之为塞流。,3.血浆团流,流动的两红细胞之间的血

14、浆呈现一种特殊的“环行运动”。,55,血浆团流的存在，将使血流阻力增大,当RBC间隔=管半径时，阻力增加一倍,血浆的这种“环行运动”有利于血液与组织液间的物质交换。,红细胞的变形性将使血流阻力减小，保持RBC变形性正常，是十分必要的。,5.片流,肺泡的毛细血管网的血流可以近似看作片流,56,（二）微血管舒缩运动对血液粘度的影响,微血管中血液流动的驱动力降低，并不导致微血管中血流速度持续降低及表观粘度的增加，原因是微血管的舒缩运动有很强的调节能力。,若微血管舒缩运动调节失效血液流速不随微血管舒缩反应而改变血流速度血流速度最后导致血流停滞。,57,三、血液在微血管中的血流效应,（一）分层效应-RB

15、C的径向迁移与血浆层,1.RBC的径向迁移（轴向集中）,RBC在血管中流动时，向管轴集中的现象。,变形性迁移速度切变率迁移速度 v径向迁移速度r径向迁移速度,58,2.血浆层（=23m ）,微小血管壁附近出现的几乎没有RBC的血浆区域。形成的根本原因就是RBC的径向迁移。,核心流,血浆层将导致血浆撇取效应，从而调节不同区域需要消耗的血细胞分布，及大分子血浆蛋白的分布。,59,血浆层的存在起润滑作用，以降低血管内的流阻R，有利于微循环灌注。,60,3.血浆层对血液表观粘度、血流量的影响,血液在细管中流动，形成血浆层和核心流组成的二相流。,设：核心流为牛顿流体，粘度为 ；血浆是牛顿流体，粘度为p

16、。,二相流的表观粘度为,61,且、roa,可见：在相同压力梯度下，由于血浆层的存在，使 aRQ。,因为 p 所以a,62,（二）（Sigma)效应,微小血管中，血液流层速度成阶梯式分布而引起a随管径减小而降低的现象。在相同压力梯度下，考虑效应时，相应的血流量将增大。,根据流模型，可以推到出管中总流量：,式中 为粗管中，血液可看成连续介质时的粘度。,63,设血液在细管中的表观粘度为a，则有,由以上两式可得：,由于分母大于1，a ；,分析：,r0,/ r0 ,a ；,当r0足够大时， ，速度的阶梯式分布变为连 续分布，流变为泊肃叶流。,64,（三）法氏（Fahraeus）效应, 当红细胞体积一定的

17、血液，从大直径管道流入毛细管时，毛细管中的RBC比容HT小于大直径管道中的RBC比容HF的现象。同时毛细管中的RBC比容HT将随自身管径的减小而降低。,HT,HF,令,65,实验：,将血液由供血容器经不同直径的毛细管流出，选取毛细管直径范围为29-221m。,对于任一毛细管，测出供血容器中的HF和毛细管中的HT，描绘出HRHF关系曲线。,66,实验结果：,(1)细管直径, HR随HF线性增加较快，即斜率随管径而。,(2)当HF一定时,细管直径,HR,即HT愈接近HF。,(3)当细管直径大于一定值，如管径在128m以上，直线的斜率趋于零，即毛细管中HT与供血容器中HF成同一比例增加。,67,产生

18、法氏效应的原因：,1.血浆撇离效应,2.分支管入口处的情况,3.红细胞与血浆间的相对运动,可证 HT=HFvm/vc 由于血浆层的存在, 使 vcvm HTHF,68,（四）管壁效应,让血液、血浆通过内表面覆盖纤维蛋白层的毛细管，比在相同剪变率下，通过其它任何一种物质覆盖内壁的毛细管测得的粘度小。,纤维蛋白降低血液表观粘度的作用，血液比血浆粘度降低更明显。,两种模型：滑移模型、静电模型,血液、血浆分别通过玻璃和纤维蛋内白层表面细管,69,（五）管径对a的影响 法-林效应 （Fahraeus-Lindvisit）,当管半径大于1mm时，血液的a与管径的大小无关；当管半径小于1mm时，血液的a随管

19、径减小而降低的现象。,70,产生Fahraeus-Li ndqvisit效应的原因：,F氏效应、 血浆层、 效应、 管壁效应。,由于Fahraeus-Lindqvisit效应，在血液流变性正常时，有利于微循环灌注。,71,（六）法-林效应逆转,当毛细血管管径减小到一定数值时，血液的表观粘度a随管径的减小而急剧上升。,72,临界半径：,法-林效应发生逆转时的管半径。,正常情况下，临界半径rc为1.57.0m。,病态：rc=50100m，甚至可达500m。,影响rc 的因素：,（1）PH值（2）PLT的聚集（3）H（4） RBC变形性（5） RBC聚集性,法-林效应逆转结果：,由于法-林效应逆转使血液的a急剧上升，微循环的阻力将大大增加，必将影响微循环血液灌注。,