[論文レビュー] Pulsatile flow and heat transfer of a magneto-micropolar fluid through a stenosed artery under the influence of body acceleration

G.C. Shit, Malabika Roy|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2012

Nanofluid Flow and Heat Transfer参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、磁場および周期的体動を受ける狭窄動脈内の脈動血流を、微極性流体モデルを用いて微構造効果を捉えることにより検討した。結果として、ハートマン数を増加させると壁面せん断応力は低下するが、熱伝達は向上する。一方、体動は流れの振盪および流体加速度を増幅させ、MRI や手術時の血流管理などの医療応用における制御メカニズムを提供する。

ABSTRACT

With an aim to investigate the effect of externally imposed body acceleration and magnetic field on pulsatile flow of blood through an arterial segment having stenosis is under consideration in this paper. The flow of blood is presented by a unsteady micropolar fluid and the heat transfer characteristics have been taken into account. The non-linear equations that governing the flow are solved numerically using finite difference technique by employing a suitable coordinate transformation. The numerical results have been observed for axial and microrotation component of velocity, fluid acceleration, wall shear stress(WSS), flow resistance, temperature and the volumetric flow rate. It thus turns out that the rate of heat transfer increases with the increase of Hartmann number $H$, while the wall shear stress has a reducing effect on the Hartmann number $H$ and an enhancing effect on microrotation parameter $K$ as well as the constriction height $δ$.

研究の動機と目的

• 赤血球などの分散微粒子による微極性流体挙動を考慮した狭窄動脈内の脈動血流をモデル化すること。
• 外部磁場（ハートマン数を用いて表現）が速度、マイクロ回転、および熱伝達特性に与える影響を分析すること。
• 周期的体動が流れの抵抗、壁面せん断応力、体積流量に与える影響を調査すること。
• 微構造パラメータ（例：マイクロ回転パラメータ K）および狭窄の重症度が血行動力学的力に与える影響を評価すること。

提案手法

• 動脈狭窄部における血液流れを表現するために、二次元的・軸対称的・非定常的・非圧縮性微極性流体モデルを用いる。
• 非線形偏微分方程式を、狭窄幾何形状に対応させるために座標変換を用いて変換する。
• 周期的境界条件の下で、有限差分法を用いて変換された方程式を数値的に解く。
• ローレンツ力による磁場効果をモデルに組み込み、ハートマン数 H で表現する。
• 生理的または環境的全身運動を模倣するため、体動を時間周期関数としてモデル化する。
• 運動量およびマイクロ回転方程式と併せてエネルギー方程式を解くことで、熱伝達を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場（ハートマン数）の適用が、狭窄動脈内の壁面せん断応力および流れの抵抗に与える影響は何か？
• RQ2 周期的体動が脈動流の振幅および周波数、および流体加速度に与える影響は何か？
• RQ3 微極性流体パラメータ（例：マイクロ回転パラメータ K）が軸方向速度および温度分布に与える影響は何か？
• RQ4 狭窄の重症度（収縮高 δ）が血行動力学的抵抗および壁面せん断応力に与える影響はどの程度か？
• RQ5 磁場が血流内の熱伝達特性に与える影響、特に温度上昇および熱的平衡状態に与える影響は何か？

主な発見

• ハートマン数 H が増加するにつれて壁面せん断応力（WSS）が低下し、磁場が血管壁への血行動力学的ストレスを軽減することが示された。
• ハートマン数が高くなると、壁面せん断応力のピーク値の振盪が小さくなり、磁場が流れのダイナミクスを安定化させることを示唆している。
• ハートマン数 H およびマイクロ回転パラメータ K が増加するにつれて体積流量は減少するが、体加速の振幅が高くなると増加する。
• 流体加速度は体加速の振幅が高くなると増加するが、ハートマン数が増加するにつれて低下し、磁場が流体慣性効果を抑制することが示された。
• 狭窄の重症度が25％を超えると流れの抵抗が顕著に増加し、さらに H や K が高くなると上昇が著しくなる。これは血行動力学的リスクの臨界閾値を示している。
• ハートマン数が増加するにつれて熱伝達率が向上し、高磁場強度では温度が安定化する。これは、治療的応用における磁気ハイパーフィーリアの可能性を示唆している。