[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究采用微极流体模型，考察了在磁场和周期性体加速度作用下，狭窄动脉中的脉动血流，以捕捉微结构效应。结果表明，随着哈特曼数增加，壁面剪切应力降低但传热增强；体加速度则放大流动振荡和流体加速度，为磁共振成像（MRI）和手术血流管理等医疗应用提供调控机制。

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 $δ$.

研究动机与目标

• 建立考虑悬浮微粒（如红细胞）引起的微极流体行为的狭窄动脉中脉动血流模型。
• 分析外加磁场（通过哈特曼数表示）对速度、微旋转及传热特性的影响。
• 研究周期性体加速度对流动阻力、壁面剪切应力及体积流量的影响。
• 评估微结构参数（如微旋转参数K）和狭窄程度对血流动力学力的影响。

提出的方法

• 采用二维、轴对称、非定常、不可压缩的微极流体模型，模拟狭窄动脉段中的血流。
• 通过坐标变换将控制非线性偏微分方程转化为适用于狭窄几何结构的形式。
• 采用有限差分法在周期性边界条件下数值求解变换后的方程。
• 通过洛伦兹力引入磁场效应，其强度由哈特曼数H表示。
• 将体加速度建模为时间周期函数，以模拟生理或环境下的全身运动。
• 通过联立求解能量方程、动量方程和微旋转方程，分析传热行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 施加磁场（哈特曼数）如何影响狭窄动脉中的壁面剪切应力和流动阻力？
• RQ2 周期性体加速度对脉动流振幅和频率以及流体加速度有何影响？
• RQ3 微极流体参数（如微旋转参数K）如何影响轴向速度和温度分布？
• RQ4 狭窄程度（狭窄高度δ）在多大程度上改变血流动力学阻力和壁面剪切应力？
• RQ5 磁场如何影响血流中的传热特性，特别是温度升高和热平衡状态？

主要发现

• 随着哈特曼数H增加，壁面剪切应力（WSS）降低，表明磁场可减轻血管壁上的血流动力学应力。
• 壁面剪切应力振荡的峰值随哈特曼数升高而减小，表明磁场可稳定流动动力学。
• 体积流量随哈特曼数H和微旋转参数K的增加而减小，但随体加速度振幅的增加而增大。
• 流体加速度随体加速度振幅增加而增大，但随哈特曼数增加而减小，表明磁场可抑制流体惯性效应。
• 当狭窄程度超过25%时，流动阻力显著增加，且在更高H和K条件下进一步上升，凸显血流动力学风险的关键阈值。
• 传热速率随哈特曼数增加而提高，且在强磁场下温度趋于稳定，表明在治疗应用中具有磁诱导热疗的潜力。