[논문 리뷰] 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)|2012. 09. 24.

Nanofluid Flow and Heat Transfer참고 문헌 21인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 혈액 순환에서 미세구조적 효과를 반영하기 위해 마이크로폴라 유체 모델을 사용하여, 자장과 주기적인 신체 가속도 조건 하에서 혈관의 협착 상태에서의 파동성 혈류를 조사한다. 결과적으로 하르만 수(Hartmann number)를 증가시키면 벽면 마찰응력은 감소하지만 열전달은 증가하며, 신체 가속도는 유동의 진동과 유체 가속도를 증폭시켜 MRI 및 수술 유량 관리와 같은 의료적 응용에서 제어 메커니즘을 제공한다.

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 $δ$.

연구 동기 및 목표

• 혈액세포와 같은 산산화된 미세입자로 인한 마이크로폴라 유체 거동을 고려하여 협착된 동맥에서의 파동성 혈류를 모델링하기.
• 외부 자장(하르만 수를 통해 표현)이 속도, 마이크로각속도 및 열전달 특성에 미치는 영향을 분석하기.
• 주기적인 신체 가속도가 유동 저항, 벽면 마찰응력 및 부피 유량에 미치는 영향을 조사하기.
• 미세구조적 매개변수(예: 마이크로각속도 매개변수 K)와 협착 정도가 혈역학적 힘에 미치는 영향 평가하기.

제안 방법

• 협착된 동맥 세그먼트 내 혈류를 표현하기 위해 2차원, 축대칭, 비정상적, 비압축성 마이크로폴라 유체 모델을 사용한다.
• 비선형 편미분 방정식을 협착 기하구조를 처리하기 위해 좌표 변환을 통해 변환한다.
• 주기적 경계 조건 하에서 변환된 방정식을 수치적으로 해결하기 위해 유한차분법을 적용한다.
• 유도력에 의해 자장 효과를 모델링하며, 하르만 수 H로 표현한다.
• 신체 가속도는 생리적 또는 환경적 전신 운동을 시뮬레이션하기 위해 시간 주기 함수로 모델링된다.
• 운동량 및 마이크로각속도 방정식과 함께 에너지 방정식을 풀어 열전달을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하르만 수에 의한 자장 적용이 협착된 동맥에서의 벽면 마찰응력과 유동 저항에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 주기적인 신체 가속도가 파동성 유동의 진폭과 주파수, 그리고 유체 가속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 마이크로폴라 유체 매개변수(예: 마이크로각속도 매개변수 K)가 축방향 속도와 온도 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 협착 정도(협착 높이 δ)가 혈역학적 저항과 벽면 마찰응력에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 자장이 혈류에서 열전달 특성, 특히 온도 상승과 열 평형에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 하르만 수 H가 증가할수록 벽면 마찰응력(WSS)이 감소하여 자장이 혈관 벽에 작용하는 혈역학적 스트레스를 감소시킴을 시사한다.
• 높은 하르만 수에서 벽면 마찰응력 진동의 피크 값이 감소하여 자장이 유동 역학을 안정화시킬 수 있음을 나타낸다.
• 하르만 수 H와 마이크로각속도 매개변수 K가 증가할수록 부피 유량이 감소하지만, 높은 신체 가속도 진폭에서는 증가함을 보여주며, 이는 유량 제어 가능성을 시사한다.
• 유체 가속도는 신체 가속도 진폭이 증가할수록 증가하지만, 하르만 수가 증가할수록 감소하여 자장이 유체情성 효과를 억제함을 나타낸다.
• 협착 정도가 25%를 초과할 경우 유동 저항이 크게 증가하며, 하르만 수 H와 마이크로각속도 매개변수 K가 높을수록 더욱 증가하여 혈역학적 위험의 임계점임을 강조한다.
• 하르만 수가 증가할수록 열전달률이 증가하고 고자장 강도에서 온도가 안정화됨을 보여주어, 치료적 응용을 위한 자기열치료 가능성 제시.