[論文レビュー] MHD Pulsatile Two-Phase Blood Flow Through a Stenosed Artery with Heat and Mass Transfer

Bhavya Tripathi, B. K. Sharma+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2017

Nanofluid Flow and Heat Transfer参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、熱・質量移動を伴う狭窄動脈内の磁気流体力学（MHD）脈動2相血液流れを調査し、血液をコア部（赤血球豊富）と血漿部でニュートン流体としてモデル化する。速度、温度、濃度プロファイルの正確な解は、磁界強度を高めると流れの流量が減少し、流れの抵抗が増加することを示し、放射線および化学反応は温度と濃度を顕著に低下させる。これは、心血管治療における磁気的および放射線的療法への洞察を提供する。

ABSTRACT

In this paper, effects of heat and mass transfer on two-phase pulsatile blood flow through a narrowed stenosed artery with radiation and the chemical reaction have been investigated. A vertical artery is assumed in which magnetic field is applied along the radial direction of the artery. The characteristics of blood in narrow arteries are analyzed by considering blood as Newtonian fluid in both core as well as in plasma regions. Exact solutions have been found for velocity, energy and concentration equations of the blood flow. To understand the behavior of blood flow, graphs of the velocity profile, wall shear stress, flow rate, flow impedance and concentration profile have been portrayed for different values of the magnetic and radiation parameter. In order to validate our result, a comparative study has been presented between the single-phase and two-phase model of the blood flow and it is observed that the two-phase model fits more accurately with the experimental data than the single phase model. For pulsatile flow, the phase difference between the pressure gradient and flow rate has been displayed with magnetic field parameter and height of the stenosis. Contour plots have been plotted for 10%, 20% and 30% case of an arterial blockage.

研究の動機と目的

• 脈動2相血液流れに及ぼす磁界、放射線、化学反応の影響を分析すること。
• 生理的精度を向上させるために、血液を明確に区別されたコア部（赤血球豊富）と血漿部に分ける2相系としてモデル化すること。
• MHDおよび熱的条件下での速度、温度、濃度プロファイルの正確な解析的解を導出すること。
• 実験データとの比較を通じて2相モデルの妥当性を検証し、単相モデルと比較すること。
• 狭窄度と磁界が圧力勾配と流量の位相差に与える影響を調査すること。

提案手法

• コア部と血漿部の両方をニュートン流体として仮定し、垂直動脈に径方向磁界を想定する2相モデルを構築する。
• 円筒座標系におけるベッセル関数を用いた正確な解析的手法により、ナビエ＝ストークス方程式、エネルギー方程式、種粒子濃度方程式を解く。
• 磁界からのローレンツ力、ペクレット数による放射線効果、シキモト数による化学反応項を組み込む。
• 動脈壁およびコア部と血漿部の界面における境界条件を適用し、速度、温度、濃度プロファイルを決定する。
• 狭窄度10%、20%、30%における流れの挙動を可視化するために等高線図を用いる。
• 実験データとの整合性を検証するため、2相モデルと単相モデルの比較分析を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁界は、狭窄動脈内を流れる脈動2相血液流れの速度、壁面せん断応力、流れの抵抗にどのように影響するか？
• RQ2 放射線および化学反応は、血液流れにおける温度および濃度プロファイルにどのような効果を及ぼすか？
• RQ3 ペクレット数およびシキモト数は、2相系における熱および質量移動にどのように影響するか？
• RQ4 磁界および狭窄度が変化する条件下で、圧力勾配と流量の位相差はどのように変化するか？
• RQ5 2相モデルは、単相モデルと比較して、実験的赤血球速度分布をどれほど正確に予測できるか？

主な発見

• 磁界パラメータを増加させると、流量が減少し、流れの抵抗が増加し、血液の流れに対する抵抗が高まることを示唆する。
• 放射線パラメータは、コア部および血漿部の両方で温度を顕著に低下させ、高熱症治療における熱的制御の可能性を示唆する。
• 化学反応パラメータは、分子拡散度の向上により濃度プロファイルを抑制し、流れ内における溶質濃度を低下させる。
• ペクレット数とシキモト数がそれぞれ温度および濃度プロファイルを低下させることから、数値が増加するにつれて熱および質量移動が抑制されることを示す。
• 40%ヘマトクリットの血液に対して、2相モデルは単相モデルよりも実験データと良好な一致を示し、その妥当性が裏付けられた。
• 磁界および狭窄度が増加するにつれて、圧力勾配と流量の位相差が減少し、血行動態の変化が示唆された。