مدل‌سازی و شبیه‌سازی انتقال حرارت در جریان رگ‌های خونی انسان به‌کمک دینامیک سیالات محاسباتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد مهندسی شیمی، گروه مهندسی شیمی، دانشکدۀ نفت و مهندسی شیمی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 استاد مهندسی شیمی، گروه مهندسی شیمی، دانشکدۀ نفت و مهندسی شیمی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

چکیده

انتقال حرارت زیستی بهدلیل قابلیت کاربرد در تشخیص و درمان بیماری، نقش مهمی در بررسی و تحلیل سیستم‌های زنده ایفا می‌کند. در سال‌های اخیر، دینامیک سیالات محاسباتی بهدلیل عملکرد خوب سختافزاری و نرمافزاری، بهطور گسترده در پژوهش‌های زیستپزشکی بیماری عروق و پیشرفت گرفتگی شریان‌های خونی استفاده شده است که به این وسیله عوامل خطر برای پیشرفت بیماری، شناسایی و درمان می‌شود. هدف از این شبیه‌‌سازی بررسی جریان و انتقال حرارت خون در رگ در حالت عادی و در چندین حالت حضور پلاک با استفاده از یک مدل هندسی واقعی رگ بهکمک نرمافزاری تجاری است. خون سیالی غیرنیوتنی وغیر تراکم‌پذیر در نظر گرفته شده و گران‌روی آن با معادلات کاریو مدل‌سازی شده است. بر خلاف بسیاری از پژوهش‌های مشابه پیشین، سرعت ورودی بهصورت ناپایا (جریان پالسی) است و مطالعۀ انتقال حرارت بهصورت همزمان بررسی شده، هم‌چنین یک مدل هندسی واقعی در درصدهای مختلف گرفتگی بررسی شده است. افزایش حجم پلاک باعث افزایش فشار و تنش برشی دیوارۀ رگ می‌شود که در حالت‌های گرفتگی شدید بسیار پرخطر و همراه با افزایش احتمال پارگی رگ‌هاست. هم‌چنین افزایش پلاک باعث کاهش انتقال حرارت از راه خون به دیوارۀ رگ‌ها می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که تغییری بین 10 تا 70 درصد در شاخص‌های دینامیکی پس از گرفتگی مشاهده می‌شود؛ اما تغییر محسوسی در دمای خروجی‌ها ایجاد نخواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modelling and Simulation of Blood Flow in Human Vessels Using CFD Analysis

نویسندگان [English]

  • S. Gorji 1
  • M. R. Jafari Nasr 2
1 M. Sc. in Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Islamic Azad University of Science and Research branch, Iran, Tehran
2 Professor in Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Islamic Azad University of Science and Research branch, Iran, Tehran
چکیده [English]

Bioheat transfer plays an important role in analyzing living systems due to its ability to diagnose and treat the disease. Recently, CFD has been increasingly used in biomedical researches of coronary artery disease because of its high hardware and software performance that makes it possible to identify and treat the risk factors for coronary artery disease progression. The purpose of this paper was to investigate blood flow and heat transfer in normal state and in several cases of plaque with a real geometric model of a vessel in an artery by using a commercial Software. Blood is considered as a non-Newtonian and non-compressible fluid and viscosity is modeled using Carreau equations. Unlike many previous studies, the inlet velocity is considered to be transient (pulsatile) and heat transfer has been investigated with the assumptions of constant blood inlet temperature and constant vessels wall temperature and the outlet wall heat transfer has been calculated. A real geometric model in different plaque progressions has been studied as well. Plaque progression in the artery, increases the wall pressure and shear stress, which is very dangerous in cases of severe blockage and may cause high risk of rupture. Increased plaque also reduces the blood heat transfer to the artery’s walls. The results show that there is a change between 10-70% in the dynamic parameters after clogging, but there is no significant change in the outlet temperature.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bioheat Transfer
  • Computational Fluid Dynamics
  • Simulation
  • Blood Vessels
  • Plaque
[1]        Jafari Nasr, M. R., Hasanzadegan, M., "Modeling bioheat transfer in human brain’s tissue using wolf equation", Third national conference and first international conference of Applied research in chemical sciences and chemical engineering, Third national conference and first international conference of Applied research in biology, Tehran, Malek Ashtar University, In persian, (2016)
[2]        Yang, J., Shunjiang, N., Wenguo, W., "Modelling heat transfer and physiological responses of unclothed human body in hot environment by coupling CFD simulation with thermal model", International Journal of Thermal Sciences. Vol. 120, pp. 437-445, (2017).
[3]        Ferreira, M. S., Yanagihara, J. I., "A transient three-dimensional heat transfer model of the human body", International Communications in heat and mass transfer. Vol. 36, pp. 718-724, (2009).
[4]        Ahmad Rasdan, I., Norfadzilah, J., Makhtar, N. K., Md Zein, R., Abdul Rahman, I., Che Hassan, N., Mohamed, D., "Experimental investigations and computational thermal simulation on human thermal comfort during performing office tasks." In Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1793, p.12076, IOP Publishing, (2021).
[5]        Liang, Z., Kutz, M., "Heat transfer applications in biological systems", Biomedical engineering & design handbook1, pp. 2-33, (2009).
[6]        Violeta, C., Pinho, D., Lima, R., Teixeira, J. C., Teixeira, S., "Blood flow modeling in coronary arteries: A review", Fluids 6, Vol 2, p. 53, (2021).
[7]        Zhonghua, S., Xu, L., "Computational fluid dynamics in coronary artery disease", Computerized medical imaging and graphics 38, Vol. 8, pp. 651-663, (2014).
[8]        Raaymakers, B. W., Crezee, J., Lagendijk, J. J. W., "Modelling individual temperature profiles from an isolated perfused bovine tongue." Physics in Medicine & Biology 45, Vol. 3, p. 765, (2000).
[9]        Pennes, H., "Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm." Journal of applied physiology 1, Vol. 2, pp. 93-122, (1948).
[10]      Lemons, D. E., Chien, S., Crawshaw, L. I.,Weinbaum, S., Jiji, L. M., "Significance of vessel size and type in vascular heat transfer." American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology 253, Vol. 1, pp. R128-R135, (1987).
[11]      Blazek, J., Computational fluid dynamics: principles and applications. Butterworth-Heinemann, Third Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford, United Kingdom, p. 126, (2015).
[12]      Salari, A., Sharifi, A., Niazmand, H., "Aging effects on atherosclerosis susceptible sites in Vertebrobasilar System: studying oscillatory shear index and averaged wall shear stress criteria", Modares Mechanical Engineering 16, Vol. 4 pp. 315-323, (2016).
[13]      Cutnell, J., Kenneth, J., Physics, Fourth Edition, John Wiley & Sons Inc. Publication, Houston, TX, U. S. A., p. 308, (1998).
[14]      Sinnott, Cleary, M., Prakash, P., "An investigation of pulsatile blood flow in a bifurcating artery using a grid-free method", Fifth International Conference on CFD in the Process Industries CSIRO, Melbourne, Australia, p. 24, (2006).
[15]      Zhang, X., "An integrated computational model of bioheat transfer in human cardiovascular system and thermoregulation", PhD diss., Chiba University, (2017).
[16]      Jafari Nasr, M. R., Gorji, S., "Bio-Heat Transfer Modeling and Simulation for Human Body Using CFD Analysis", M. Sc. Dissertation, Islamic Azad university of science and research, (2021).
[17]      Saxena, A., Ng, E. Y. K., Mathur, M., Manchanda, C., Amit Jajal, N., "Effect of carotid artery stenosis on neck skin tissue heat transfer", International Journal of Thermal Sciences 145, pp. 106010, (2019).
[18]      Chaichana, T., Zhonghua, S., Jewkes, J., "Computational fluid dynamics analysis of the effect of plaques in the left coronary artery", Computational and mathematical methods in medicine, p. 17, (2012).