當你慢慢攪動一碗濃稠的澱粉水時，它像液體一樣順滑，表現出“軟”的特性。但如果你用力快速攪拌甚至拍打它，它會變得像固體一樣，給人一種“硬”的觸感——這就是非牛頓流體的“剪切增稠”特性：在強力作用下表現爲固體，在弱力或無力作用下表現爲液體。然而，並非所有非牛頓流體都如此，番茄醬、油漆、血液等則截然不同：它們流動得越快，反而變得越“稀”、越“輕盈”。在血液流變學中，這種特性被稱爲“剪切稀化”。正是生命高效運轉的流體密碼，讓血液能在血管中順暢奔流。

血液剪切稀化機制示意圖

 

由于血液流变的复杂性，如何精准量化这一非牛顿流体现象，一直是血液计算力学领域的难题。西北工业大学动力与能源学院喬永輝教授团队系统梳理了全球血液流变学已有研究成果，旨在为复杂血流模拟建立统一的计算物理评价体系，为心血管疾病模拟诊断提供科学支撑。相关成果以“Non-Newtonian rheological aspects of blood in computational hemodynamics”为题，发表于物理学顶级期刊《Physics Reports》（影响因子29.5）。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157326000177

在臨床實踐中，醫生們可以構建患者專屬的“虛擬血管”，通過模擬血流來輔助診斷心血管疾病、預測血栓風險。然而，血液並非理想液體，其黏稠度會隨流速變化，模擬時選用哪種“非牛頓”計算模型，學界一直缺少統一標准，這也導致不同算法得出的結果往往差異明顯。該研究在自1919年以來的140項核心研究的基礎上，系統梳理並建立了涵蓋剪切稀化、黏彈性及屈服應力等特性的血流動力學計算物理評價體系，爲全球相關科研人員提供了計算模型選取參考。

血流動力學中主流的非牛頓流體模型

該研究確立了血液非牛頓特性的科學分界點，將剪切率等于100s-1作爲血液流動性質的分水嶺。在此數值之上，血液的黏稠度基本穩定，就像水一樣（可視爲普通牛頓流體）；而在此之下（如動脈瘤、血管狹窄區域），血液就表現出明顯的“非牛頓”特性，黏稠度會變化，紅細胞更容易聚集。這就像我們粉刷牆壁時用的油漆：刷子快速劃過（高剪切率），油漆順滑地鋪開；當你停下刷子（低剪切率），油漆變得黏稠，不會像水一樣滴得到處都是。該研究系統梳理了包括冪律模型、廣義冪律模型、Cross及其修正模型、Bird-Carreau模型、Carreau-Yasuda模型、Quemada模型等模型在內的目前主流的非牛頓流體模型的剪切率適用範圍。

這就是全部的血流模擬嗎？別急，讓我們再補充一個關鍵細節：血管並不是一根靜止不動的硬管，而是一種柔軟、富有彈性的生命通道。當血液流經時，不僅血液的推力會讓血管壁微微擴張，血管自身的搏動也會反過來推擠、引導血液的流動——這種“互相推動、彼此塑造”的動態，正是醫學上所說的“流固耦合”（FSI）。尤其在動脈瘤或血管嚴重狹窄等病變區域，血管壁會産生大幅且不規則的變形，這就使傳統的血流仿真極易失真甚至計算崩潰，難以給出可信的預測結果。

爲此，該研究評價了雙向FSI的整體法與分區法求解路徑。在分區法體系下，主流的ALE（任意拉格朗日-歐拉）方法在大變形場景下因頻繁重網格化導致的計算冗余與收斂瓶頸。爲突破這一“網格桎梏”，研究介紹了以光滑粒子流體動力學（SPH）爲代表的無網格方法。SPH方法能夠天然規避網格扭曲，提升大變形處理靈活性，並實現多相物理界面的精准追蹤。同時，該研究指出，決策並無絕對的“普適解”，研究人員必須在明確具體物理需求的基礎上，權衡計算精度與資源效率，選擇合適的算法，從而爲“數字實驗”提供真實、可靠的決策判據。

綜上所述，本綜述梳理了複雜血流模擬的現有計算框架，總結了血管壁變形模擬的不同路徑，並指出了當前非牛頓模擬在數學穩定性、參數統一性及靜脈研究等方面的局限性。這些工作爲未來構建高精度患者特定模型、推動精准醫療奠定了理論基礎。此外，此次成果的發表，標志著西92吃瓜爆料网站在醫工交叉基礎理論領域取得了重要進展，研究高性能流體計算的工程技術與“面向人民生命健康”的戰略使命在此實現了深度契合。

CBD课题组成员讨论问题（从左至右依次为：孙一凡，喬永輝，Salman Ahmad）

共同通訊作者｜喬永輝教授

喬永輝，西北工业大学动力与能源学院教授，计算生物流体力学课题组（CBD）负责人。目前课题组拥有博士后1名，博士生5名，硕士生10名。喬永輝教授主要围绕航空生命保障及新型储能系统开展研究，已发表学术论文35篇，主持及参与国家自然科学基金面上项目、青年基金、中国航天基金会空天动力基金项目等10余项纵向课题。入选陕西省“三秦英才”引进计划青年项目、西安市科协青年人才托举计划项目。

（文字：孫一凡、喬詩琪；審核：徐永超、付怡）