消化器官內(nèi)壁有著多級(jí)多尺度結(jié)構(gòu)且運(yùn)動(dòng)方式復(fù)雜,理解其在消化吸收過程中的作用對(duì)人類健康具有重要意義。著眼于人體小腸絨毛,從化學(xué)工程師的獨(dú)特視角出發(fā),建立多物理場(chǎng)耦合模型描述小腸絨毛運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳遞與吸收。成功應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)絨毛往返周期運(yùn)動(dòng)。同時(shí)建立分析方法,量化傳質(zhì)與吸收效果。模擬結(jié)果顯示絨毛沿著小腸管路軸向的往返運(yùn)動(dòng),可以形成兩個(gè)特征渦流,有效強(qiáng)化絨毛間流體和外部流體的交換,減小徑向傳質(zhì)阻力。絨毛頂部在吸收中起到了關(guān)鍵作用。絨毛運(yùn)動(dòng)周期越小,最大傳質(zhì)增強(qiáng)因子越高,吸收量越大。絨毛越高,最大傳質(zhì)增強(qiáng)因子越高,再加上吸收面積越大,總吸收量會(huì)顯著提升。對(duì)于900mm高的絨毛,在運(yùn)動(dòng)周期為6 s情況下,傳質(zhì)效果比絨毛不運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳質(zhì)效果提升超過500%。
【部分圖文】：

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)選取最有代表性的葡萄糖，其在小腸腔體內(nèi)的傳遞符合對(duì)流擴(kuò)散規(guī)律式中，C為葡萄糖濃度，mol/m3;D為葡萄糖在水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。流體速度u由求解流場(chǎng)模型[式(2)、式(3)]獲得，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)量傳遞和物質(zhì)傳遞的耦合。文中涉及的場(chǎng)與場(chǎng)的耦合指的是“流場(chǎng)”和“濃度場(chǎng)”的耦合。流場(chǎng)影響物質(zhì)傳遞，物質(zhì)傳遞不影響流場(chǎng)，是一種單向的耦合。

圖2中可以更直觀地觀察到在上半周期（即0時(shí)刻到T/2），絨毛間間距逐步擴(kuò)大；在下半周期，絨毛間距逐步減小。因?yàn)門/2和T時(shí)刻，絨毛速度為0[見式(5)]，所以流體速度比其他時(shí)刻小很多，幾乎可以忽略[圖2(d）、（h）中幾乎看不到白色箭頭，且代表速度的流線顏色為深黑色]。其他時(shí)刻流場(chǎng)呈現(xiàn)對(duì)稱分布。圖2中最明顯的流場(chǎng)特征是絨毛的往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成了兩個(gè)渦流（見圖中的流線）。表明絨毛在水平方向（即x方向，軸向）的來回運(yùn)動(dòng)促進(jìn)了垂直方向（即y方向，徑向）的流動(dòng)和物質(zhì)傳遞，有效減小徑向傳質(zhì)阻力。由白色速度箭頭的尺寸可以看出，絨毛間隙中的流速遠(yuǎn)大于外部流速。且間隙中速度方向?yàn)榭v向，可以有效進(jìn)行間隙間物質(zhì)和腔體中物質(zhì)的交換。另外，可以發(fā)現(xiàn)在每一時(shí)刻，兩個(gè)渦流基本對(duì)稱且方向相反。在上半周期，左右渦流分別為順時(shí)針方向和逆時(shí)針方向。絨毛遠(yuǎn)離的運(yùn)動(dòng)，使得液體被“吸入”絨毛間的空間，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從遠(yuǎn)處向絨毛表面的傳遞。而在下半周期，渦流方向逆轉(zhuǎn)，左右渦流分別變?yōu)槟鏁r(shí)針方向和順時(shí)針方向。此時(shí)絨毛靠近的運(yùn)動(dòng)，使得絨毛間液體被“擠出”。從圖2中的濃度場(chǎng)可以看出。上半周期，絨毛間距變大，間隙間流速向下，明顯看出葡萄糖被吸往絨毛頂部及絨毛間隙。絨毛表面附近濃度明顯增強(qiáng)，且絨毛表面葡萄糖濃度為0，意味著表面附近葡萄糖濃度梯度變大，吸收通量將增加。在下半周期，絨毛間距變小，間隙間流體速度向外。絨毛表面附近濃度逐步減小，意味著吸收通量也將逐步減小。

圖4(a)中顯示，Peclet數(shù)在絨毛運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)呈現(xiàn)M形對(duì)稱分布。前半周期及后半周期內(nèi)都是先增大再減小。對(duì)流傳質(zhì)效果最強(qiáng)時(shí)刻為T/4和3T/4。這一結(jié)果和圖2中流場(chǎng)分布分析結(jié)果一致。相較絨毛無運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳質(zhì)效果，在前半周期內(nèi)，傳質(zhì)效果先增強(qiáng)再稍有回落，之后在后半周期繼續(xù)下降直到小于絨毛無運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳質(zhì)效果，雖然最后有所回升但仍然回不到初始效果。絕大部分時(shí)間內(nèi)，增強(qiáng)因子大于1，所以絨毛運(yùn)動(dòng)總體而言可以促進(jìn)傳質(zhì)。且增強(qiáng)因子最大值可以到4.4，意味著傳質(zhì)效果增強(qiáng)到4倍有余[圖4(b)]。傳質(zhì)的增強(qiáng)意味著吸收量的提升。圖4(c)顯示絨毛的運(yùn)動(dòng)帶來了吸收量的明顯提升（見圖中實(shí)線和虛線的比較）。一周期結(jié)束時(shí)，比起無運(yùn)動(dòng)情況，有絨毛運(yùn)動(dòng)情況下吸收總量提升至約2倍。值得注意的是，后半周期內(nèi)，傳質(zhì)增強(qiáng)效果并沒有因?yàn)镻eclet數(shù)的增加而增加。這是因?yàn)�，后半周期�?nèi)增強(qiáng)的對(duì)流傳質(zhì)方向?yàn)檫h(yuǎn)離絨毛表面，反而對(duì)吸收起到抑制作用。圖4 Peclet數(shù)、傳質(zhì)增強(qiáng)因子及總吸收量隨時(shí)間的變化
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