生物流体力学

符号表

缩略语表

单位换算系数、常用的常量与方程

第一部分流体力学、固体力学与心血管生理学

第1章流体力学原理1

1.1引言1

1.2流体的固有属性1

1.2.1密度 1

1.2.2黏度 4

1.2.3可压缩性 5

1.2.4表面张力 5

1.3流体静力学 6

1.4质量和动量的宏观平衡 7

1.4.1质量守恒 7

1.4.2动量守恒 9

1.5质量和动量的微观平衡 11

1.5.1质量守恒 11

1.5.2动量守恒 13

1.5.3数学解 17

1.6伯努利方程 21

1.7无量纲分析 24

1.8直管中的流体力学 26

1.8.1流动稳定性及相关特性 26

1.8.2流动脉动的影响 30

1.9边界层分离 32

习题 33

参考文献 33

第2章固体力学简介 34

2.1材料力学简介 34

2.1.1弹性行为 34

2.1.2工程应变和真实应变 36

2.1.3增量弹性模量 36

2.1.4泊松比 36

2.1.5切应力与切应变 37

2.1.6广义胡克定律 38

生物流体力学2.1.7体积模量 40

2.2薄壁圆管问题 40

2.3厚壁圆管问题 42

2.3.1平衡方程 42

2.3.2相容条件 42

2.4黏弹性 45

习题 47

参考文献 48

第3章心血管生理 49

3.1引言 49

3.2心49

3.2.1概述 49

3.2.2心的结构 51

3.2.3心传导系 51

3.2.4心的功能 54

3.3心瓣膜57

3.4体循环 58

3.5冠状动脉循环 63

3.6肺循环和肺的气体交换 66

3.7脑循环和肾循环 68

3.7.1脑循环 68

3.7.2肾循环 69

3.8微循环 70

3.9循环的调节 72

3.10动脉粥样硬化 73

3.10.1动脉粥样硬化的形态学 73

3.10.2动脉粥样硬化斑块的生长过程 74

3.10.3生理学意义 77

习题 78

参考文献 78

第二部分人体循环系统生物力学

第4章血液的流变特性和血管的力学特性 83

4.1血液的流变特性 83

4.1.1毛细管测黏法、同轴圆筒测黏法、锥-板测黏法的黏度测定及理论 83

4.1.2血液的物理属性 87

4.1.3血液的黏性 88

4.1.4非牛顿流体压力-流动关系 99

4.1.5流动及其产生的应力诱导溶血和血小板的激活105

4.2血管的力学性能107

4.2.1血管壁的结构组分及材料属性 107

4.2.2血管的材料特性 110

4.2.3血管壁的残余应力 114

4.2.4心肌的材料特性 115

4.3总结 116

习题 116

参考文献118

第5章静态和定常流模型119

5.1引言 119

5.2循环系统中的流体静力学 119

5.3伯努利方程的应用 120

5.3.1相对静水压的测量 120

5.3.2动脉狭窄和动脉瘤 121

5.3.3心瓣膜狭窄 122

5.4刚性管流动模型 126

5.4.1血管阻力 128

5.4.2血管阻力的局部变化 129

5.5动脉入口长度的计算及其对流动发展的影响 129

5.6可塌陷血管中的血液流动 132

5.7总结 134

习题 134

参考文献 136

第6章非定常流与非均匀几何形状模型 137

6.1引言 137

6.2人体循环系统中的Windkessel模型 137

6.3脉动血流动力学的连续模型 139

6.3.1动脉系统中的波传播139

6.4动脉粥样硬化的血流动力学理论 157

6.4.1低压理论、低壁面切应力理论和高壁面切应力理论 159

6.4.2随时间变化的壁面切应力、振荡剪切指数和壁面切应力梯度 161

6.5壁面切应力及其对内皮细胞的影响 162

6.6动脉弯曲和分叉处的流动 164

6.6.1弯曲血管 164

6.6.2分支与分叉 168

6.7动脉狭窄和动脉瘤处的流动 171

6.8总结 178

习题 178

参考文献 179

第7章原生心瓣膜180

7.1引言180

7.2主动脉瓣和肺动脉瓣 181

7.2.1力学性能 182

7.2.2瓣膜动力学 185

7.3二尖瓣和三尖瓣 187

7.3.1机械性能 191

7.3.2瓣膜动力学 193

习题 196

参考文献 197

第三部分心血管植介入体、生物力学测量技术及计算机仿真

第8章人工心瓣膜动力学203

8.1引言203

8.2人工心瓣膜发展历史简介 204

8.2.1机械瓣204

8.2.2组织材料瓣膜 207

8.2.3机械瓣膜与生物组织瓣膜对比小结 210

8.2.4经导管（介入）瓣膜210

8.2.5当前使用的人工心瓣膜 212

8.3人工心瓣膜的血流动力学评价 213

8.3.1压力降 213

8.3.2有效开口面积 214

8.3.3反流 216

8.3.4血流状态（flow patterns）与切应力 217

8.3.5人工心瓣膜渗漏 224

8.3.6空化现象和高强度振荡信号 225

8.4凝血风险和血流破坏的体外研究 227

8.4.1血栓沉积的影响227

8.5人工心瓣膜的耐久性 228

8.5.1磨损 228

8.5.2疲劳 229

8.5.3矿化 229

8.6当前瓣膜设计的发展趋势 230

8.7总结 231

习题 231

参考文献232

第9章血管治疗技术 233

9.1血管搭桥植入物 233

9.2动静脉瘘 234

9.3血管搭桥材料的类型 235

9.4血管搭桥的临床经验 238

9.5生物力学与吻合口内膜增生 239

9.6血管成形术、支架和腔内支架植入 247

9.7支架植入的生物力学 252

习题 255

参考文献 255

第10章流体动力学测量技术 257

10.1引言 257

10.2血压的测量 257

10.3血流的测量 259

10.4阻抗测量 262

10.5流场可视化 265

10.6超声多普勒测速 269

10.7激光多普勒测速仪 281

10.7.1技术特征 281

10.7.2探头规格 282

10.7.3光检测器(光电探测器) 284

10.7.4信号处理 285

10.7.5LDV生理脉动流场测量的平均相位窗285

10.8核磁共振成像与速度映射技术 286

10.8.1切片激发 287

10.8.2空间编码 288

10.8.3成像过程和脉冲程序 289

10.8.4相位对比核磁共振 290

10.8.5相位对比磁共振成像的临床应用 292

习题 297

参考文献 297

第11章血液循环系统计算流体力学298

11.1引言 298

11.2计算流体力学分析技术 299

11.2.1控制方程 299

11.2.2网格生成 300

11.2.3离散化技术 302

11.2.4时间积分 303

11.2.5泊肃叶流仿真、结果验证及网格无关性 304

11.3生物力学建模 307

11.3.1典型区域的几何构型 307

11.3.2血液流变特性模拟 308

11.3.3边界条件 309

11.3.4稳态与非稳态流动分析 311

11.3.5二维和三维模拟 313

11.3.6流固耦合分析 314

11.4人体血液循环系统的流体动力学仿真 314

11.4.1人体主动脉 315

11.4.2颈动脉分支 316

11.4.3主动脉分支 317

11.4.4冠状动脉分支 318

11.4.5动脉瘤（腹主动脉瘤和脑动脉瘤） 319

11.4.6动脉狭窄 320

11.4.7介入治疗与外科手术 321

11.4.8瓣膜动力学仿真 322

11.5未来方向：多尺度模拟 325

11.6总结 325

11.7计算机仿真程序 325

参考文献 326

符号表

英文字母

A横截面面积（第6章）

B0磁场强度（第10章）

C顺应性

Ci物质的量浓度（指定项i）

c波速

D，d直径

Di扩散系数（第3章）；扩张系数（第6章）

DL可膨胀性

E弹性模量（杨氏模量）

Einc增量弹性模量

Ep压力-应变模量

E,F,G对流通量（第11章）

Ev，Fv，Gv黏性通量（第11章）

G切变模量

g重力加速度

H“总头”，单位体积的总能量，水头损失

H,Hct压积

J雅可比（第11章）

Jν第一类ν阶贝塞尔函数

K稠度系数

KD溶解系数

Ks刚度系数

k体积模量

l0初始长度

l变形后长度

M′t模量（第6章）

NDDean数

Ni物质i的摩尔通量

p静水压力

ps收缩压

pd舒张压

流体力学中总头是指单位重量流体的总能量，其单位是长度的单位。而此处的“总头”是指单位体积流体的总能量，其单位是压力的单位，故加上引号以示区别。——编辑注P,F轴向加载，力

Q流量（第11章）

R半径

符号表生物流体力学r,θ,z;r,φ,z圆柱坐标系参量

r,θ,φ球坐标系参量

Re雷诺数

Rs阻力

SA node窦房结

T扭矩；截断误差（第11章）

u,v,w速度分量

V体积

V0初始体积

x,y,z笛卡儿坐标系参量

Z阻抗

Z0特征阻抗

1D(2D,3D)一维（二维，三维）

希腊字母

α沃姆斯莱数

γ切应变

γ·切应变率，速度梯度

δ长度增量

ε正应变

εi相位角（第6章）

εt真实应变

ε·正应变率

ξ,η,ζ广义坐标系参量（第11章）

η,ζ,ξ管壁在r,θ,z方向的位移（第6章）

ρ密度

μ［动力］黏度

μapp表观黏度

μp血浆黏度

ν泊松比（固体），运动黏度（μ/ρ，流体）

σ正应力

σult极限应力

σy屈服应力

Γ对角矩阵（第11章）

τ切应力

ω,Ω角速度缩 略 语 表

AAA腹主动脉瘤

ALE任意拉格朗日-欧拉（第11章）

AV房室瓣（第3章）

AVF动静脉瘘

bpm每分钟心跳次数

CDFM彩色多普勒血流成像

CFD计算流体力学

CO心输出量

CT计算机断层扫描

CVP中心静脉压

CW连续波

CX冠状动脉回旋支

DVT深静脉血栓

EC内皮细胞

ECG心电图

EDV舒张末期容积

EF射血分数

EMF电磁流量计

e-PTFE膨体聚四氟乙烯

ESV收缩末期容积

FSI流固耦合

HDL高密度脂蛋白

HR心率

IH内膜增生

IMA胸廓内动脉

LAD左降冠状动脉

LDA激光多普勒测风雷达

LDL低密度脂蛋白

LDV激光多普勒测速仪

MAP平均动脉压

MRI核磁共振成像

PET聚对苯二甲酸乙二醇酯

PIV粒子图像测速仪

PRF脉冲重复频率

PRU外周阻力单位

PTA经皮腔内血管成形术

PTCA经皮腔内冠状动脉成形术

PTFE聚四氟乙烯

RF射频脉冲

RMS均方根

RV反流体积

SG比重

SMC平滑肌细胞

SVC,IVC上、下腔静脉

SVG隐静脉桥

SVHD单心室缺陷病

TEE经食管超声心动图

WSR壁面切应变率

WSS壁面切应力

WSSG壁面切应力梯度

ZCC/ZCD零计数器/零相交检测器

缩 略 语 表生物流体力学

按GB 3102.3—1993规定，此量应称相对密度。——编辑注ⅩⅦ单位换算系数、常用的常量与方程生物流体力学单位换算系数、常用的常量与方程

单位换算

长度1ft=12in=30.48cm=0.3048m

1cm=0.394in=0.03280ft

体积1L=1000cm3(cc)=0.001m3

1ft3=0.028317m3

压力1mmHg=133.3N/m2=1333dyn/cm2

1atm=14.696lbf/in2=760mmHg

功率1hp=550ft·lbf/s=745.7W

密度1lb/ft3=16.018kg/m3=0.016018g/cm3

黏度1centi Poise(cP)=10-2Poise(P)

1P=1dyn·s/cm2=1g/(cm·s)=0.1N·s/m2=0.1Pa·s

流体参数

密度（ρ):ρ水＝999kg/m3≈1g/cm3

ρ空气＝1.22kg/m3(在标准大气温度和压力下）

ρ血液＝1060kg/m3=1.06g/cm3;ρ血浆＝1035kg/m3=1.035g/cm3

黏度（μ):μ水＝1.0cP

μ血浆＝1.2cP;μ血液＝3.5cP（在切应变率>100s-1)

流体力学控制方程

流体本构关系：

牛顿流体：τ=μuy

卡森流体：τ=τy+kcγ·

幂律流体：

τ=Kplγ·n(n≠1)

运动方程（不可压缩，牛顿流体）

质量守恒方程（连续性方程）：·V=0

动量方程：V t+(V·）V =-1ρp+g +μρ2V

流体静力学关系：Δp=ρgh

一维流动

质量守恒方程，不可压缩流体（密度ρ为常量）:V1A1=V2A2

伯努利方程（能量守恒方程）——定常流——非黏性流动：

p+ρV22+ρgh=H(常数）

泊肃叶方程（充分发展的稳态流动，牛顿流体）：

Vz(r)=ΔpR24μL1－rR2=Vmax 1－rR2

Q=πΔpR48μL=πΔpd4128μL

ⅩⅨ圆柱管的壁面切应力：τw=－d4ΔpL

泊肃叶流体的壁面切应力：|τw|=4μQπR3

雷诺数:Re=ρVdμ

入口长度（层流）：Le=0.06dRe

泊肃叶流体的沃姆斯莱（Womersley）数：α=d2ρωμ

固体力学方程ε=l－l0l0

胡克材料的应力-应变关系：σ=Eε；τ=Gγ

泊松比：ν=-εlateralεaxial

真实应变：εt=ln(1+ε）

薄壁弹性管：εθ=ΔRR；σθ=pRt

厚壁弹性管：E=p1R21(1+ν)(1－2ν)(R22－R21)ru+p1R21R22(1+ν)(R22－R21)r2ru

动脉血流力学关系

血液的卡森方程：τμplasma=1.53γ·+2.0

动脉血管壁的弹性模量：

ⅩⅩ薄壁圆管的弹性模量：Eθ=pR2tΔR

厚壁圆管的弹性模量（Bergel）Einc=2(1-ν2）R21R2(R22－R21)ΔpΔR2

流阻：R=ΔpQ

阻抗（轴向）：|Zz|n=|p|n|Q|n

动脉血管壁的顺应性：C=ΔV/VΔp

Gorlin方程（瓣膜开口的有效面积）：A=QmeanCdρΔp

压力波的速度（Moens-Kortweg关系)：C0=hE2Rρ

血液的沃姆斯莱(Womersley)数关系：

Vz=AR2iμα21-J0(αr′i3/2)J0(αi3/2)eiωt

Q=AπR4eiωtiμρ1-2J1(αi3/2)i3/2αJ0(αi3/2)

ⅩⅩ生物流体力学译者序

译者序

?丛书主编简介

Max Lu（逯高清）教授

主编“可持续能源发展中的新材料系列图书”

Lu教授的研究领域为材料化学和纳米技术。他因从事清洁能源和环境技术领域的纳米颗粒及纳米多孔材料的相关研究工作，而广为人知。他发表了超过500篇高影响力的论文，这其中，包括其在《自然》（Nature）、 《美国化学学会期刊》（Journal of the American Chemical Society）、Angewandte Chemie和《先进材料》（Advanced Materials）等高水平期刊上发表的文章，还获得了20项国际专利。Lu教授是一位在科学信息研究所(Instituto for Scientific Information,ISI）材料科学方面被引用次数很高的一位作者，其引用次数超过17500次（h因子为63）。他获得过大量国际国内的著名奖项，包括中国科学院国际合作奖(2011年)，Orica奖，RK 墨菲奖章，Le Fevre奖，埃克森美孚奖，Chemeca奖章，最有影响的100位澳大利亚杰出工程师之一(2004年、2010年和2012年)，世界上最有影响力的50位华人榜(2006年)。他曾两次荣获得澳大利亚研究理事会奖学金(2003年和2008年)。他也被选为澳大利亚技术科学工程学院（Australin Acadeny of Technological Sciences and Engineering ATSE）会士和化学工程协会(Instintion of Chemical Engineers IChemE)会士。同时，他还是12个主要国际期刊的主编和编委，其中，包括《Journal of Colloid and Interface Science and Carbon》。

自2009年起，Lu教授便担任昆士兰大学副校长和副主席（分管科研）职务。他还担任过常务副校长职务（2012年），从2008年8月到2009年6月，他先后担任过代理副校长（分管科研）和副校长（分管科研联络）职务。在2003~2009年期间，他还担任澳大利亚研究理事会（ARC）中心功能纳米材料杰出人才基金会的主任。

Lu教授曾在很多政府委员会和咨询机构供职，包括澳大利亚总理科学工程创新理事会（2004年、2005年和2009年），ARC专家学会（2002~2004年）等。他也曾是IChemE澳大利亚委员会的主席，以及ATSE的前任主任。之前的其他工作单位还包括Uniseed Pty有限公司、ARC纳米技术网络、昆士兰中国理事会。目前，他还是澳大利亚同步加速器、澳大利亚国家电子研究合作工具和资源、研究数据存储设施等机构的理事会成员。作为国家新技术论坛的成员，他还可以约见澳大利亚部长一级的人物。本书编者简介

Franois Béguin （Elbieta Frckowiak）教授

波兹南工业大学（化学工程学）

Piotrowo 3, 60-965 Poznan, Poland

francois.beguin@put.poznan.pl

电话： ++48 61 665 3632

传真： ++48 61 665 2571

Franois Béguin 是波兹南工业大学（波兰）的一名教授。就在最近，他还获得了波兰科学基金会授予的WELCOME奖金。他的研究主要在碳材料的化学和电化学应用方面，特别是用于能量转换/储存和环境保护的纳米碳的开发，该纳米碳具有孔度可控和表面功能化。主要的研究课题包括锂电池、超级电容器、电化学储氢，以及水污染物的可逆电吸附。他在国际高水平刊物上所发表的文章超过250多篇，其文章被8300篇的文章所引用，Hirsch因子为46。他参与了多本涉及碳材料和能量储存书籍的编写。同时，他还是国际碳会议咨询理事会的成员，曾发起了用于能量储存与环境保护的碳国际会议（CESEP）。他也是《Carbon》期刊的编委，曾经是Orléans大学（法国）材料科学的教授，一直工作到2012年。他还担任过法国研究所（ANR）国家能量储存（Stock-E）、氢和燃料电池（H-PAC）和电管理（PROGELEC）项目的主任。Elbieta Frckowiak教授

波兹南工业大学 化学和工业电化学研究所

Piotrowo 3, 60-965 Poznan, Poland

Elzbieta.Frackowiak@put.poznan.pl

电话： ++48 61 665 3632

传真： ++48 61 665 2571

Elbieta Frckowiak是波兹兰工业大学化学和工业电化学研究所的全职教授。她研究的课题涉及储能领域，包括电化学电容器、锂离子电池和氢电吸附，尤其是超级电容器用的电极材料（纳米孔碳、模板碳、碳纳米管和石墨烯等）、导电聚合物复合电极、掺杂碳和过渡金属氧化物等材料的开发，以及基于碳/氧化还原耦合界面一些新概念。

她是国际电化学学会（2009~2014年）电化学能源转换与储存分部的主席。她从2011年来是Electrochimica Acta国际咨询委员会的成员，从2008年来是Energy & Environmental Science国际咨询委员会的成员。她也是多个国际会议的主席或者联合主席［12th International Symposium on Intercalation Compounds (ISIC12) Poznań, Poland, 1–5 June 2003; 2nd International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors (ISEECap’11), Poznań, Poland, 12–16 June 2011; the World CARBON conference in Krakow, 17-22 June 2012］。她是波兰科技奖基金的获得者，也即波兰的诺贝尔奖（2011年12月），她也获得了Order of Polonia Restituta (2011年12月) 和Order Sapienti Sat (2012年10月)。

她发表了150篇论文，撰写了多本书的部分章节，申请了数十项专利。引用他的次数达6000次，Hirsch因子为36。贡献者列表贡献者列表

Catia Arbizzani

Alma Mater Studiorum

Università di Bologna

Dipartimento di Scienza

dei Metalli

Elettrochimica e Tecniche

Chimiche

Via San Donato 15

40127 Bologna

意大利Daniel Bélanger

Université du Québec à Montréal

Département de Chimie

case postale 8888

succursale centre-ville

Montréal

Québec H3C 3P8

加拿大Philippe Azai··s

Batscap 超级电容器公司

事业部

Odet, Ergue-Gaberic

29556 Quimper Cedex 9

法国

和

Commissariat à l’Energie

Atomique (CEA)

LITEN (Laboratoire d’Innovation

pour les Technologies des

Energies Nouvelles)

17 rue des Martyrs

38054 Grenoble Cedex 9

法国

Franois Béguin

波兹南工业大学

化学工程系

u1. Piotrowo 3

60-965 Poznan

波兰

Thierry Brousse

Université de Nantes

Institut des Matériaux Jean

Rouxel (IMN)

CNRS/Université de Nantes

Polytech Nantes

BP50609

44306 Nantes Cedex 3

法国

Andrew Burke

加州大学戴维斯分校

交通运输研究所

Studies

One Shields Avenue

Davis, CA 95616

美国

Scott W. Donne

纽卡斯尔大学

环境与生命科学学院

Office C325, Chemistry

Callaghan

New South Wales 2308

澳大利亚Daniel Guay

INRS-nergie

Matériaux et

Télécommunications

1650 Boulevard Lionel Boulet

case postale 1020

Varennes

Québec J3X 1 S2

加拿大

Guang Feng

克莱姆森大学

机械工程系

Clemson, SC 29634-0921

美国Jingsong Huang

纳米材料中心

科学、计算机和数学分部

橡树岭国家实验室

Bethel Valley Road

Oak Ridge, TN 37831-6367

美国Elbieta Frckowiak

波兹南工业大学

化学工程系

化学和工业电化学研究所

u1. Piotrowo 3

60-965 Poznan

波兰Mariachiara Lazzari

Alma Mater Studiorum

Università di Bologna

Dipartimento di Scienza dei Metalli

Elettrochimica e Tecniche Chimiche

Via San Donato 15

40127 Bologna

意大利Roland Gallay

Garmanage

Clos-Besson 6

CH-1726

Farvagny-le-Petit

瑞士Marina Mastragostino

Alma Mater Studiorum

Università di Bologna

Dipartimento di Scienza dei

Metalli

Elettrochimica e Tecniche

Chimiche

Via San Donato 15

40127 Bologna

意大利

Hamid Gualous

Université de Caen Basse

Normandie

Esplanade de la Paix

BP 5186

14032, Caen Cedex 5

法国Vincent Meunier

纳米材料中心

科学、计算机和数学分部

橡树岭国家实验室

Bethel Valley Road

Oak Ridge, TN 37831-6367

美国Katsuhiko Naoi

东京农工大学

工程学院，应用化学分部

2-24-16 Naka-cho

Koganei

Tokyo 184-8558

日本John R. Miller

JME公司

23500 Mercantile Road, Suite L

Beachwood, OH 44122

美国

和

凯斯西储大学

大湖能源研究所

电气工程与计算机科学

10900 Euclid Avenue

Cleveland, OH 44106

美国Jawahr Nerkar

CSIRO 能源技术公司

Normanby Rd

Clayton South

Victoria 3169

澳大利亚

Tony Pandolfo

CSIRO能源技术公司

Normanby Rd

Clayton South

Victoria 3169

美国

Yuki Nagano

东京农工大学

工程学院，应用化学分部

2-24-16 Naka-cho

Koganei

Tokyo 184-8558

日本Rui Qiao

克莱姆森大学

机械工程系

Clemson, SC 29634-0921

美国

Vanessa Ruiz

CSIRO能源技术公司

Normanby Rd

Clayton South

Victoria 3169

澳大利亚

Seepalakottai Sivakkumar

CSIRO能源技术公司

Normanby Rd

Clayton South

Victoria 3169

澳大利亚Patrice Simon

Unviversitè Toulouse III

Institut Carnot CIRIMAT - UMR

CNRS 5085

118 route de Narbonne

31062 Toulouse

法国Francesca Soavi

Alma Mater Studiorum

Università di Bologna

Dipartimento di Scienza dei

Metalli

Elettrochimica e Tecniche

Chimiche

Via San Donato 15

40127 Bologna

意大利Bobby G. Sumpter

纳米材料中心

科学、计算机和数学分部

橡树岭国家实验室

Bethel Valley Road

Oak Ridge, TN 37831-6367

美国Pierre-Louis Taberna

Unviversitè Toulouse III

Institut Carnot CIRIMAT - UMR

CNRS 5085

118 route de Narbonne

31062 Toulouse

法国超级电容器：材料、系统及应用

译者序

丛书编者序

前言

丛书主编简介

本书编者简介

贡献者列表

第1章电化学基本原理

1.1平衡态电化学

1.1.1自发化学反应

1.1.2吉布斯自由能最小化

1.1.3化学平衡和电化学电位间的桥接

1.1.4E与ΔGr间的关系

1.1.5能斯特方程

1.1.6平衡态的电池

1.1.7标准电位

1.1.8使用能斯特方程——Eh-pH图

1.2离子

1.2.1溶剂中的离子

1.2.1.1离子—溶剂相互作用

1.2.1.2热力学

1.2.2玻尔或简单连续介质模型

1.2.2.1玻尔方程的证明

1.2.3水的结构

1.2.3.1离子附近水的结构

1.2.3.2离子-偶极子模型

1.2.3.3空穴的形成

1.2.3.4集群的破坏

1.2.3.5离子-偶极子作用

1.2.3.6玻尔能量

1.2.3.7确定空穴中溶剂化离子的位置

1.2.3.8剩余的水分子

1.2.3.9与实验对比

1.2.3.10离子-四极模型

1.2.3.11诱导偶极子作用

1.2.3.12结果

1.2.3.13质子的水合焓

1.2.4溶剂化数

1.2.4.1络合数

1.2.4.2主要的溶剂化数

1.2.5活度及活度系数

1.2.5.1逸度（f′）

1.2.5.2非电解质稀溶液

1.2.5.3活度（α）

1.2.5.4标准态

1.2.5.5无限稀释

1.2.5.6溶剂活度的测量

1.2.5.7溶质活度的测量

1.2.5.8电解液活度

1.2.5.9平均离子数

1.2.5.10f、γ和γ间的关系

1.2.6离子-离子作用

1.2.6.1引言

1.2.6.2计算Ψ2的德拜-休克尔模型

1.2.6.3泊松-玻耳兹曼方程

1.2.6.4电荷密度

1.2.6.5泊松-玻耳兹曼方程的求解

1.2.6.6计算Δμi-1

1.2.6.7德拜长度K-1或LD

1.2.6.8活度系数

1.2.6.9与实验对比

1.2.6.10德拜-休克尔极限法则的近似

1.2.6.11最接近距离

1.2.6.12活度系数的物理解释

1.2.7浓电解质溶液

1.2.7.1斯托克-罗宾逊处理

1.2.7.2离子-水合修正

1.2.7.3浓度修正

1.2.7.4斯托克-罗宾逊方程

1.2.7.5斯托克-罗宾逊方程的评估

1.2.8离子对的形成

1.2.8.1离子对

1.2.8.2福斯处理

1.2.9离子动力学

ⅩⅦ超级电容器：材料、系统及应用1.2.9.1离子淌度与迁移数

1.2.9.2扩散

1.2.9.3菲克第二定律

1.2.9.4扩散统计学

1.3电化学动力学

1.3.1原理综述

1.3.1.1电位

1.3.1.2良导体中的电势

1.3.1.3良导体中的电荷

1.3.1.4电荷间的作用力

1.3.1.5电荷聚集产生的电势

1.3.1.6两接触相间的电位差（Δ）

1.3.1.7电化学电势（μ）

1.3.2静电荷界面或双电层

1.3.2.1界面

1.3.2.2理想极化电极

1.3.2.3霍尔姆兹模型

1.3.2.4古伊-查普曼模型或扩散模型

1.3.2.5斯特恩模型

1.3.2.6博克里斯、德瓦纳罕和穆勒模型

1.3.2.7电容的计算

1.3.3界面上的电荷传输

1.3.3.1过渡态理论

1.3.3.2氧化还原电荷转移反应

1.3.3.3电荷转移的行为

1.3.3.4巴特勒-沃尔摩方程

1.3.3.5以标准速率常数（K0）的形式表示I

1.3.3.6K0和I0间的关系

1.3.4多步过程

1.3.4.1多步巴特勒-沃尔摩方程

1.3.4.2机理法则

1.3.4.3I0对浓度的依存关系

1.3.4.4电荷转移电阻（Rct）

1.3.4.5整个电池的电压

1.3.5物质传输控制

1.3.5.1扩散和迁移

1.3.5.2限定电流密度（IL）

1.3.5.3旋转圆盘电极

进一步的阅读材料

ⅩⅧ第2章电化学电容器的概述

2.1引言

2.2电容器的原理

2.3电化学电容器

2.3.1双电层电容器

2.3.1.1双电层与多孔材料模型

2.3.1.2双电层电容器的构造

2.3.2赝电容电化学电容器

2.3.2.1导电聚合物

2.3.2.2过渡金属氧化物

2.3.2.3锂离子电容器

2.4小结

致谢

参考文献

第3章电化学技术

3.1电化学设备

3.2电化学单元

3.3电化学界面：超级电容器

3.4常用的电化学技术

3.4.1暂态技术

3.4.1.1循环伏安技术

3.4.1.2恒电流循环技术

3.4.2稳态技术

3.4.2.1电化学阻抗谱

3.4.2.2超级电容器阻抗

参考文献

第4章双电层电容器及其所用碳材料

4.1引言

4.2双电层

4.3双电层电容器的碳材料类型

4.3.1活性炭粉末

4.3.2活性炭纤维

4.3.3碳纳米管

4.3.4炭气凝胶

4.4电容与孔尺寸

4.5离子去溶剂化的证据

4.6性能限制：孔径进入度或孔隙饱和度

4.6.1孔径进入度的限制

4.6.2孔隙饱和度对电容器性能的限制

4.7微孔碳材料之外的双电层电容

4.7.1纯离子液体电解质中的热微孔碳材料

4.7.2离子液体溶液中额外的电容

4.7.3孔隙中的离子捕获

4.7.4离子的嵌入/插层

4.8小结

参考文献

第5章碳基电化学电容器的现代理论

5.1引言

5.1.1碳基电化学电容器

5.1.2双电层电容器的组成

5.2经典理论

5.2.1界面上的紧密层

5.2.2电解液中的扩散层

5.2.3电极上的空间电荷层

5.3近期研究进展

5.3.1表面曲率效应下的后亥姆霍兹模型

5.3.1.1内嵌式电容器模型

5.3.1.2层次孔多孔碳模型

5.3.1.3Exohedral电容器模型

5.3.2GCS模型之外的双电层电容器理论

5.3.3石墨化碳材料的量子电容

5.3.4分子动力学模拟

5.3.4.1水溶液中的双电层

5.3.4.2有机电解液中的的双电层

5.3.4.3室温离子液体中的双电层

5.4小结

致谢

参考文献

第6章具有赝电容特性的电极材料

6.1引言

6.2导电聚合物在超级电容器中的应用

6.3金属氧化物/碳复合材料

6.4碳网络中杂原子的赝电容效应

6.4.1富氧的碳

6.4.2富氮的碳

6.5带有电吸附氢的纳米多孔碳

6.6电解质溶液-法拉第反应的来源

6.7小结——赝电容效应的优点与缺点

参考文献

第7章有机介质中的锂离子混合型超级电容器

7.1引言

7.2传统双电层电容器的电压限制

7.3混合电容器系统

7.3.1锂离子电容器

7.3.2纳米杂化电容器

7.4纳米杂化电容器的材料设计

7.5小结

缩写词

参考文献

第8章水系介质中的非对称器件和混合器件

8.1引言

8.2水系混合（非对称）器件

8.2.1原理、要求和限制

8.2.2活性炭/PbO2器件

8.2.3活性炭/Ni(OH)2混合器件

8.2.4基于活性炭和导电聚合物的水系混合器件

8.3水系非对称电化学电容器

8.3.1原理、要求和限制

8.3.2活性炭/MnO2器件

8.3.3其他MnO2基的非对称器件或混合器件

8.3.4碳/碳水系非对称器件

8.3.5碳/RuO2器件

8.4氧化钌-氧化钽混合电容器

8.5展望

参考文献

第9章基于无溶剂的离子液体的双电层电容器

9.1引言

9.2碳电极/离子液体界面

9.3离子液体

9.4碳电极

9.5超级电容器

9.6小结

离子液体代码

词汇表

参考文献

第10章产业化超级电容器的制造

10.1引言

10.2单元组成

10.2.1电极设计及其组成

10.2.1.1集流体

10.2.1.2超级电容器用活性炭

10.2.1.3产业化超级电容器用的工业活性炭

10.2.1.4活性炭的粒径分布及其优化

10.2.1.5粘结剂

10.2.1.6导电添加剂

10.2.2电解液

10.2.2.1电解液对性能的影响

10.2.2.2液态电解液及其存留的问题

10.2.2.3离子液体电解液

10.2.2.4固态电解质

10.2.3隔膜

10.2.3.1隔膜的要求

10.2.3.2纤维素隔膜和聚合物隔膜

10.3单元的设计

10.3.1小尺寸元件

10.3.2大型单元

10.3.2.1高功率型单元

10.3.2.2能量型单元

10.3.2.3软包型单元设计

10.3.2.4单元设计的争执：方形单元和圆柱状单元

10.3.2.5水系介质单元

10.4模块设计

10.4.1基于牢固型单元的大型模块

10.4.1.1单元间的金属连接

10.4.1.2模块的电终端

10.4.1.3模块的绝缘体

10.4.1.4单元的平衡和其他信息探测

10.4.1.5模块外壳

10.4.2基于软包电容器的大型模块

10.4.3在水系电解液中工作的大型模块

10.4.4基于非对称技术的其他模块

10.5小结与展望

参考文献

第11章超级电容器在电、热以及老化条件限制下的模型尺寸和热管理

11.1引言

11.2电学特性

11.2.1C和ESR测试

11.2.1.1时域中的容量与串联电阻特性

11.2.1.2频域中的容量与串联电阻特性

11.2.2超级电容器的性质、性能及特征

11.2.2.1容量和ESR随电压的变化

11.2.2.2容量和ESR随温度的变化

11.2.2.3自放电与漏电流

11.2.3Ragone图理论

11.2.3.1匹配阻抗

11.2.3.2负载可用功率,Ragone方程

11.2.4能量性能和恒流放电

11.2.5恒功率下的能量性能和放电性能

11.2.6恒负载下的能量性能和放电性能

11.2.7效率

11.3热模型

11.3.1超级电容器的热模型

11.3.2热传导

11.3.3热边界条件

11.3.4热对流传热系数

11.3.5求解过程

11.3.6BCAP0350实验结果

11.4超级电容器的寿命

11.4.1失效模式

11.4.2加速失效因素——温度和电压

11.4.3失效的物理因素

11.4.4测试

11.4.5直流电压测试

11.4.6电压循环测试

11.5确定超级电容器模型尺寸的方法

11.6应用

11.6.1燃料电池汽车的电源管理

11.6.1.1问题说明

11.6.1.2燃料电池模型

11.6.1.3超级电容器模型

11.6.2优化控制下的燃料电池汽车的电源管理

11.6.2.1无约束优化控制

11.6.2.2汉密尔顿-雅可比-贝尔曼方程

11.6.3对燃料电池汽车功率与单位功率的非平衡优化控制

11.6.3.1对燃料电池的功率限制

11.6.3.2对燃料电池单位功率的限制

11.6.4通过优化相关联的滑模控制进行燃料电池汽车的电源管理

11.6.5小结

参考文献

第12章电化学电容器的测试

12.1引言

12.2DC测试程序概述

12.2.1USABC测试程序

12.2.2IEC测试程序

12.2.3UC Davis测试程序

12.3碳/碳基器件测试程序的应用

12.3.1电容

12.3.2电阻

12.3.3能量密度

12.3.4功率容量

12.3.5脉冲循环测试

12.4混合电容器、赝电容器的测试

12.4.1电容

12.4.2电阻

12.4.3能量密度

12.4.4功率特性和脉冲循环测试

12.5交流阻抗和直流测试的关系

12.6超级电容数据分析的不确定性

12.6.1充电算法

12.6.2电容

12.6.3电阻

12.6.4能量密度

12.6.5功率容量

12.6.6循环效率

12.7小结

参考文献

第13章电化学电容器的可靠性

13.1引言

13.2可靠性的基本知识

13.3电容器单元的可靠性

13.4系统的可靠性

13.5单元可靠性的评估

13.5.1实验方法实例

13.6实际系统的可靠性

13.6.1单元电压的不均匀性

13.6.2单元温度的不均匀性

13.7提高系统的可靠性

13.7.1减少单元压力

13.7.2单元的烧损

13.7.3串联中使用较少的单元

13.7.4使用长寿命单元

13.7.5实施维护

13.7.6增加冗余

13.8系统设计实例

13.8.1问题说明

13.8.2系统分析

13.8.3单元的可靠性

参考文献

第14章电化学电容器的市场及应用

14.1前言：原理与历史

14.2商业化设计：直流电源的应用

14.2.1双极设计

14.2.2单元设计

14.2.3非对称设计

14.3能量储存与能量收集应用

14.3.1运动和能量

14.3.2混合化：能量捕获与再利用

14.3.3节能与能量效率

14.3.4引擎起动

14.4技术与应用的结合

14.4.1电池/电容器结合的应用

14.5电网应用

14.5.1存储与公用电网

14.6小结

《生物流体力学（翻译版·原书第2版）》旨在为将流体力学应用于人体循环系统研究的相关课程提供教材，宜教易学。本书分为三个部分。第一部分主要对流体力学和固体力学的基础知识以及后边各章所涉及的心血管生理学作了概述。第二部分讲述了人体循环系统中的流体力学，重点针对动脉系统。第三部分的内容主要涉及介植入体及心血管系统的一些测量方法。本书是一本人体循环系统流体力学的入门教材，可供生物医学工程专业的高年级本科生或者一年级研究生使用，也可供相关科研与工程技术人员参考。