[논문 리뷰] MHD Pulsatile Two-Phase Blood Flow Through a Stenosed Artery with Heat and Mass Transfer

Bhavya Tripathi, B. K. Sharma외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 27.

Nanofluid Flow and Heat Transfer참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 열 및 질량 이송을 고려한 혈관의 협착에서의 자기유체역학(MHD) 파ulsatile 이상태 혈액 유동을 조사한다. 혈액은 핵심부와 혈장부에서 뉴턴 유체로 모델링된다. 속도, 온도 및 농도 프로파일에 대한 정확한 해석적 해석은 자기장 강도를 증가시킬수록 유량이 감소하고 유동 저항이 증가함을 시사하며, 복사 및 화학 반응은 온도 및 농도를 크게 억제함으로써 심혈관계 치료에 있어 자기장 및 복사 기반 치료 전략에 대한 통찰을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 협착된 동맥에서 파ulsatile 이상태 혈액 유동에 대한 자기장, 복사 및 화학 반응의 영향을 분석하는 것.
• 혈액을 핵심부(RBC 풍부)와 혈장부로 나누어 생리학적 정확도를 향상시키기 위해 이중상 모델을 수립하는 것.
• MHD 및 열 조건 하에서 속도, 온도 및 농도 프로파일에 대한 정확한 해석적 해를 유도하는 것.
• 실험 데이터와의 비교를 통해 이중상 모델을 검증하고 단일상 모델과의 비교를 수행하는 것.
• 협착 높이 및 자기장이 압력 기울기와 유량 간 위상 차이에 미치는 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• 핵심부 및 혈장부 모두에서 뉴턴 유체를 가정하여 수직 동맥과 반경 방향 자기장 조건을 고려한 이중상 모델을 수립한다.
• 원통좌표계에서 베셀 함수를 사용한 정확한 해석적 방법으로 나비에-스토크스 방정식, 에너지 방정식 및 종 농도 방정식을 푼다.
• 자기장으로 인한 루렌츠 힘, 페클레트 수를 통한 복사 효과, 샤 Schmidt 수를 통한 화학 반응 항을 통합한다.
• 동맥 벽 및 핵심부와 혈장부 사이의 인터페이스에 경계 조건을 적용하여 속도, 온도 및 농도 프로파일을 결정한다.
• 10%, 20%, 30% 협착 수준에서의 유동 거동을 시각화하기 위해 등고선도를 작성한다.
• 실험 데이터와의 정확도를 검증하기 위해 이중상 모델과 단일상 모델 간의 비교 분석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장은 협착된 동맥을 통과하는 파ulsatile 이중상 혈액 유동에서 속도, 벽면 마찰응력 및 유동 저항에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 복사 및 화학 반응은 혈액 유동의 온도 및 농도 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 페클레트 수와 샤 Schmidt 수는 이중상 시스템에서 열 및 질량 이송에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 자기장 및 협착 높이 조건에서 압력 기울기와 유량 간 위상 차이는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이중상 모델은 단일상 모델에 비해 실험적 세포 속도 분포를 얼마나 잘 예측하는가?

주요 결과

• 자기장 파arameter를 증가시킬수록 유량이 감소하고 유동 저항이 증가하여 혈액 유동에 대한 저항이 증가함을 시사한다.
• 복사 파arameter는 핵심부 및 혈장부 모두에서 온도를 크게 감소시키며, 고열 치료에서 열 조절 가능성을 시사한다.
• 화학 반응 파arameter는 분자 확산도가 증가함에 따라 농도 프로파일을 억제하여 유동 내 용질 농도를 감소시킨다.
• 페클레트 수와 샤 Schmidt 수는 각각 온도 및 농도 프로파일을 감소시키며, 이는 수치가 증가할수록 열 및 질량 이송이 억제됨을 나타낸다.
• 40% 적혈구 함량을 가진 혈액에 대해 이중상 모델은 단일상 모델보다 실험 데이터와 더 잘 일치함을 보이며, 정확도가 검증됨을 시사한다.
• 자기장 및 협착 높이가 증가할수록 압력 기울기와 유량 간 위상 차이가 감소하여 혈역학적 동역학이 변화함을 나타낸다.