本文標題："不同的圓錐角度和旋轉速度對轉盤間的流場的影響-生物科學"

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不同的圓錐角度和旋轉速度對于轉盤間的流場的影響-生物科學

血管內層細胞（Vascular Endothelial Cell）位于血管之

內層并作為血管之內襯而與血液接觸，血液流動所產生

之剪應力即直接作用于血管內層細胞。于人體之動脈中，

作用于血管內層細胞之剪應力，在一般狀況下為 2~20

dynes cm [3]，而在特殊部位如管分叉或高曲度彎管之外

側，剪應力可高至 100

dynes cm 。于[4] ~ [8]中均有針對

剪應力對血管內層細胞之影響作過研究，他們發現血管內

層細胞在受到固定之剪應力作用一段時間后，其完整性、

外形變化、再生性或生化活動均有明顯的不同。Niklason, et

al.[9]以管流方式進行血管細胞培養實驗，由其實驗數據可

知血管細胞經五週及八週剪應力作用后之成長現象

進行血管細胞培養將造成血管細胞除受剪應力影

響外，另會有垂直正向之壓力作用，故無法針對剪應力對

血管內層細胞之影響作深入研究。而圓錐-平板黏度計裝置

具備精確量測流體黏度之優點，其亦可由控制圓錐之轉速

以調整流體對底部平板所產生之剪應力大小，故設計類似

于圓錐-平板裝置以分析剪應力對血管細胞作用后之影

響，將較以管流方式進行血管細胞培養之實驗更具有定量

分析之研究價值，故其亦可作為研究血管內層細胞在受固

定流體剪應力作用下會有何反應之主要設備[10] ~ [14]。

本研究即欲以數值模擬方式研究位于旋轉圓錐與固定

平板間流體之運動狀態，并以不同圓錐角度及不同之旋轉

速度研究近似于血液之流體作用于固定平板上之剪應力變

化，藉此評估此具產生剪應力功能圓錐-平板裝置之性能及

設計參數，以作為設計、制作具不同圓錐角度及不同剪應

力模式功能之圓錐-平板裝置之重要基礎

旋轉圓盤系統之研究可朔自 1921 年 Von Karman [15]

之研究，雖然其外型結構簡單，但因兩轉盤間因旋轉而使

其內部流場受科氏力與離心力之作用，此即造成流體以曲

徑運動及產生複雜之非線性流動現象，此即造成旋轉平板

與固定平板間所產生之剪應力會隨著不同位置而有所不

同。但如將上方帶動流體運動之圓盤改為圓錐時，圓錐之

角度變化則成為另一改變流場之變數。當角度很小時，于

旋轉圓錐與靜止平板間流體之流動乃處于線性之狀態而造

成作用于平板上之剪應力為一定值，此可應用于血管內層

細胞或血管組織之研究，使血管內層細胞或血管組織受固

定剪應力作用一段時間后觀察其所發生之變化。

藉由數值模擬方法可了解并研析複雜之三維旋轉流

場，并可研究不同之圓錐角度和旋轉速度對于轉盤間的流

場之影響。圖 1 所示即為旋轉圓錐與固定平板之裝置設計

及其流場之物理模式示意圖，下方平板部分即可于一適當

位置放置培養皿及所欲培養之細胞。因藉由圓錐旋轉變化

可產生符合于生理情況之剪應力大小變化

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