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研究生： 翁昶生
chang-sheng weng
論文名稱： 圓錐平板型生物反應器脈動式二次流場研究
Secondary pulsatile flow in a Cone-plate bioreactor
指導教授： 鍾志昂
Chih-Ang Chung
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 100
中文關鍵詞： 生物反應器 、圓錐平板裝置 、二次流
外文關鍵詞： secondary flo, bioreactor, cone-plate instrument
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    • 摘要
    生物反應器可以提供一個體外的細胞培養生長環境，以觀察反應器所提供的機械性刺激對細胞的影響。而在各種生物反應器中，圓錐平板型可在同一裝置中提供層流至紊流型式的剪切力環境，因此可用來模擬血液流動對血管內皮細胞造成的流體剪切力，研究剪切力對血管內皮細胞生長的影響。
    本篇研究利用微擾法對速度及壓力進行雙重展開，求其流場型態及剪應力大小的公式，分析圓錐旋轉速度與變動頻率對流場型態與剪應力的影響。並比較轉動頻率對準靜態所估算的剪切力的影響，及雷諾數對平板上剪切力分佈的影響，以期能將結果應用於生物科技上。

    Abstract
    A bioreactor can provide an environment for cultivating cells in vitro, so researchers have been using different bioreactors to observe the corresponding cellular responses to the mechanical stimulus. Among various kinds of bioreactors, cone-plate instrument has been used to provide the fluid shear stress from laminar to turbulent flow, which may simulate pulsatile shear stress encountered by the endothelial cells in the arterial circulation.
    Using the cone-plate instrument as the bioreactor, we analyze the stress field induced by periodically rotating the cone on the plate. The flow field is investigated by expanding the Navier-stokes and continuity equations with two nondimensional parameters, the Reynolds number (accounting significantly for the rotation speed) and the square of Womersley number (accounting significantly for the rotation frequency). We find the secondary flow and the shear stress on the plate are seriously influenced by the periodic motion of the cone. When the value of Womersley number increases, the quasi-steady solution of shear stress is no longer suitable.

    目錄 中央大學碩士論文授權書 論文指導教授推薦函 論文口試委員審定書 中文摘要 英文摘要 誌謝辭 目錄………………………………………………………………Ⅰ 圖目錄……………………………………………………………Ⅲ 符號說明…………………………………………………………Ⅴ 一、 緒論…………………………………………………………….1 1.1 研究背景……………………………………………………...1 1.2研究動機與本文架構 ………………………………………...4 二、 物理系統與數學模式…………………………………………5 2.1 物理系統及基本假設………………………………………...5 2.2 無因次化尺度………………………………………………...6 2.3 統御方程式…………………………………………………...7 2.3.1 無因次參數定義…………………………………………8 2.3.2 簡化後的統御方程式……………………………………9 2.3.3 邊界條件………………………………………………..10 三、 解題步驟……………………………………………………..11 3.1解題方法-微擾法…………………………………………….11 3.2 雙重微擾法………………………………………………….17 四、 流場分析…………………………………………………….22 4.1 主流場……………………………………………………….22 4.1.1 速度場…………………………………………………..22 4.1.2 平板上剪切力…………………………………………..23 4.1.3 圓錐上剪切力…………………………………………..25 4.1.4 圓錐上的扭力…………………………………………..27 4.1.5 平板上的扭力…………………………………………..28 4.2 二次流場…………………………………………………….29 4.2.1 速度場…………………………………………………..29 4.2.2 平板上的剪切力………………………………………..34 4.2.3 圓錐上的剪切力………………………………………..38 4.2.4 圓錐上的扭力…………………………………………..39 4.2.5 平板上的扭力…………………………………………..41 五、 結論………………………………………………………….43 參考文獻……………………………………………………..…..46附錄 A..………………………………………………………………...49 B..………………………………………………………………...51 C..………………………………………………………………...53 D..………………………………………………………………...56 圖目錄 圖一、系統示意圖 64 圖二、物理模式示意圖 65 圖三、與時間無關的等速度分佈圖 66 圖四、 時的等速度分佈圖 67 圖五、 ， 時速度隨時間變化圖 68 圖六、 時的等速度分佈圖 69 圖七、 ， 時速度隨時間變化圖 70 圖八、 ， 擾動解和雙重擾動解比較圖 71 圖九、 ， 時，擾動解和雙重擾動解的等速度比較圖 72 圖十、不同轉動頻率 作用於平板上的剪切力 73 圖十一、 時，不同轉動頻率作用於平板上的剪切力比較圖 74 圖十二、不同轉動頻率時，擾動解和雙重擾動解剪切力比較圖 75 圖十三、不同轉動頻率 作用於圓錐上的剪切力 76 圖十四、 時，不同轉動頻率作用於圓錐上剪切力比較圖 77 圖十五、不同轉動頻率時，擾動解和雙重擾動解剪切力比較圖 78 圖十六、在圓錐上擾動解和雙重擾動解扭力隨轉動頻率變化圖 79 圖十七、 時，圓錐上扭力隨時間變化曲線 80 圖十八、在平板上擾動解和雙重擾動解扭力隨轉動頻率變化圖 81 圖十九、 時，平板上的扭力隨時間變化曲線 82 圖二十、徑向速度沿著 方向的等速度分佈圖 83 圖二十一、軸向速度沿著 方向的等速度分佈圖 84 圖二十二、沿著 方向的速度分佈圖 85 圖二十三、由方位角速度在平板上的剪切力隨 變化的情形 86 圖二十四、由方位角速度在平板上的剪切力隨時間變化的情形 88 圖二十五、由徑向速度在平板上的剪切力隨 變化的情形 89 圖二十六、由徑向速度在平板上的剪切力隨時間變化的情形 91 圖二十七、由方位角速度在圓錐上的剪切力隨 變化的情形 92 圖二十八、由方位角速度在圓錐上的剪切力隨時間變化的情形 94 圖二十九、圓錐上的扭力隨 的變化情形 95 圖三十、不同轉速時，圓錐上的扭力隨時間變化圖 97 圖三十一、平板上的扭力隨 的變化情形 98 圖三十二、不同轉速時，平板上的扭力隨時間變化圖 100

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