Структура закрученного течения в области разветвления каналов при умеренных числах Рейнольдса

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований стационарного закрученного течения в области разветвления каналов, имитирующей проксимальный анастомоз конец-в-бок бедренной артерии человека. Эксперименты выполнялись при числе Рейнольдса, равном 1460, что соответствует интервалу физиологических значений при оценке по максимальному расходу крови в артерии за период сердечных сокращений. Поддерживалось равное соотношение расходов по обоим ответвлениям. Степень закрутки потока на входе в область разветвления составляла 0.125. Выполнялась визуализация течения и измерения мгновенных векторных полей скорости потока каждого ответвления с использованием техники SIV. Выявлены основные закономерности влияния закрутки на вихревую структуру течения в основной артерии ниже области разветвления и в шунте. Рассматривается возможность использования закрутки потока для создания более благоприятных гемодинамических условий в области анастомоза. Особое внимание уделяется появлению признаков локальной турбулизации потока при наличии и отсутствии закрутки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. М. Молочников

Казанский научный центр РАН; Казанский национальный исследовательский технический университет им А.Н. Туполева

Автор, ответственный за переписку.
Email: vmolochnikov@mail.ru
Россия, Казань; Казань

И. В. Никифоров

Казанский научный центр РАН

Email: ilya.nkfrv1@gmail.com
Россия, Казань

Н. Д. Пашкова

Казанский научный центр РАН

Email: pashkova-2000@mail.ru
Россия, Казань

Список литературы

  1. Бойко А.В., Грек Г.Р., Довгаль А.В., Козлов В.В. Возникновение турбулентности в пристенных течениях, Новосибирск: Наука. Сиб. Предприятие РАН. 1999. 328 с.
  2. Tiwari A., Cheng K.S., Salacinski H., Hamilton G., Seifalian A.M. Improving the patency of vascular bypass grafts: the role of suture materials and surgical techniques on reducing anastomotic compliance mismatch //European journal of vascular and endovascular surgery. — 2003. V. 25, № 4. P. 287–295. https://doi.org/10.1053/ejvs.2002.1810
  3. Henry F.S., Collins M.W., Hughes P.E., How T.V. Numerical investigation of steady flow in proximal and distal end-to-side anastomoses // J. Biomech. Eng. 1996. V.118. №3. P. 302– 310. https://doi.org/10.1115/1.2796011
  4. Liu X., Sun A., Fan Y., Deng X. Physiological significance of helical flow in the arterial system and its potential clinical applications // Annals of Biomed. Eng. 2015. V. 43. P. 3–15. https://10.1007/s10439-014-1097-2
  5. Molochnikov V.M., Dushin N.S., Pashkova N.D., Gataulin Ja. A., Smirnov E.M., Yukhnev A. D. Flow Structure and Transition to Local Turbulence Downstream of an Asymmetric Narrowing that Imitates Arterial Stenosis //Fluid Dynamics. 2023. V. 58. №2 P. 214–226. https://doi.org/10.1134/S0015462822602303
  6. Canver C.C. Conduit options in coronary artery bypass surgery //Chest. 1995. V. 108. № 4. P. 1150–1155. https://doi.org/10.1378/chest.108.4.1150
  7. Davies M.G., Hagen P.O. Pathobiology of intimal hyperplasia //British Journal of Surgery. 1994. V. 81. № 9. P. 1254–1269. https://doi.org/10.1002/bjs.1800810904
  8. Ghista D.N., Kabinejadian F. Coronary artery bypass grafting hemodynamics and anastomosis design: a biomedical engineering review // Biomedical engineering online. 2013. V. 12. P. 1–28. https://doi.org/10.1186/1475-925X-12-129
  9. Kuyanova J., Dubovoi A., Fomichev A., Khelimskii D., Parshin D. Hemodynamics of vascular shunts: trends, challenges, and prospects // Biophysical Reviews. 2023, V.15. №5. P. 1287–1301. https://doi.org/10.1007/s12551-023-01149-3
  10. Dellenback P.A., Metzger D.E., Neitzel G.P. Measurements in turbulent swirling flow through an abrupt axisymmetric expansion // AIAA journal. 1988. V. 26. № 6. P. 669–681. https://doi.org/10.2514/3.9952
  11. Mak H., Balabani S. Near field characteristics of swirling flow past a sudden expansion //Chemical engineering science. 2007. V. 62. № 23. P. 6726–6746. https://doi.org/10.1016/j.ces.2007.07.009
  12. Vanierschot M. Large scale flow instabilities in sudden expansion flows in the subcritical swirl regime //Proceedings of the 19th International Symposium on Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics. LISBON Simposia, 2018. 10 pp.
  13. Hammad K.J., Ötügen M.V., Arik E.B. A PIV study of the laminar axisymmetric sudden expansion flow //Experiments in fluids. 1999. V. 26. № 3. P. 266–272. https://doi.org/10.1007/s003480050288
  14. Badekas D., Knight D.D. Eddy correlations for laminar axisymmetric sudden expansion flows // J. Fluids Eng. 1992. V. 114. № 1. P. 119–121. https://doi.org/10.1115/1.2909986
  15. Khe A.K. Vanina V.S., Cherevko A.A., Parshin D.V., Chebotnikov A.V., Boiko A.V., Tulupov A.A. Application of magnetic resonance imaging for studying the three-dimensional flow structure in blood vessel models // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2019. V. 60. P. 257–264. https://link.springer.com/article/10.1134/S002189441902007X
  16. Boiko A.V. Akulov A.E., Chupakhin A.P., Cherevko A.A., Denisenko N.S., Savelov A.A., Stankevich Yu. A., Khed A.K., Yanchenko A.A., Tulupov A.A. Measurement of viscous flow velocity and flow visualization using two magnetic resonance imagers //Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2017. V. 58. P. 209–213. https://link.springer.com/article/10.1134/S0021894417020031
  17. Ha H., Choi W., Park H., Lee S.J. Advantageous swirling flow in 45° end-to-side anastomosis // Exp. Fluids. 2014. V. 55. P. 1–13. https://doi.org/10.1007/s00348-014-1861-y
  18. Ha H., Choi W., Lee S.J. Beneficial fluid-dynamic features of pulsatile swirling flow in 45° end-to-side anastomosis // Medical Engineering and Physics. 2015. V.37. P. 272–279. https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2015.01.007
  19. Ha H., Hwang D., Choi W.-R., Baek J., Lee S.J. Fluid-Dynamic Optimal Design of Helical Vascular Graft for Stenotic Disturbed Flow // PLOS ONE. 2014. V. 9. № 10. e111047. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0111047
  20. Bernad S.I. Bosioc A., Bernad E.S., Craina M.L. Comparison between experimentally measured flow patterns for straigth and helical type graft //Bio-Medical Materials and Engineering. 2014. V. 24. № 1. P. 853–860.
  21. Bernad S.I., Bosioc A.I., Bernad E.S., Craina M.L. Helical type coronary bypass graft performance: Experimental investigations //Bio-Medical Materials and Engineering. 2015. V. 26. № s1. P. S477-S486
  22. Агафонов А.В., Талыгин Е.А., Бокерия Л.А., Городков А.Ю. Гидродинамические особенности закрученного потока крови в левых отделах сердца и аорте //Acta Naturae (русскоязычная версия). 2021. Т. 3. №. 4. С. 4–16.
  23. Kilner P.J., Yang G.Z., Mohiaddin R.H., Firmin D.N., Longmore D.B. Helical and retrograde secondary flow patterns in the aortic arch studied by three-directional magnetic resonance velocity mapping //Circulation. 1993. V. 88. № 5. P. 2235–2247. https://doi.org/10.1161/01.CIR.88.5.2235
  24. Stonebridge P.A. Suttie S.A., Ross R., Dick J. Spiral laminar flow: a survey of a three-dimensional arterial flow pattern in a group of volunteers //European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 2016. V. 52. № 5. P. 674–680. https://doi.org/10.1016/j.ejvs.2016.07.018
  25. Багаев С.Н., Захаров В.Н., Орлов В.А. Основополагающие явления и законы в структурно-функциональной организации сердечно-сосудистой системы //Атеросклероз. — 2022. Т. 7. №. 2. С. 68–89.
  26. Молочников В.М., Хубулава Г.Г., Калинин Е.И., Пашкова Н.Д., Никифоров И.В. Экспериментальное и численное исследование структуры потока в модели дистального анастомоза бедренной артерии // Российский журнал биомеханики. 2023. №3. С. 36–52
  27. Kuyanova Y.O. Presnyakov S.S., Dubovoi A.V., Chupakhin A.P., Parshin, D.V. Numerical study of the tee hydrodynamics in the model problem of optimizing the low-flow vascular bypass angle //Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2019. V. 60. P. 1038–1045. https://link.springer.com/article/10.1134/S0021894419060087
  28. Mikheev N.I., Dushin N.S. A Method for Measuring the Dynamics of Velocity Vector Fields in a Turbulent Flow Using Smoke Image-Visualization Videos // Instruments and Experimental Techniques. 2016. V. 59. № 6. Р. 882–889. https://doi.org/10.1134/S0020441216060063
  29. Mikheev N.I. Goltsman A.E., Saushin I.I., Dushina, O.A. Estimation of turbulent energy dissipation in the boundary layer using Smoke Image Velocimetry // Experiments in Fluids. 2017. V. 58. № 8. Р. 1–10. https://doi.org/10.1007/s00348-017-2379-x
  30. Helgadóttir Á., Lalot S., Beaubert F., Pálsson H. Mesh twisting technique for swirl induced laminar flow used to determine a desired blade shape //Applied Sciences. 2018. V. 8. № 10. 1865. 17 pp. https://doi.org/10.3390/app8101865
  31. Molochnikov V.M., Mazo A.B., Malyukov A.V., Kalinin E.I., Mikheev N.I., Dushina O.A., Paereliy A.A. Distinctive features of vortical structures generation in separated channel flow behind a rib under transition to turbulence // Thermophysics and Aeromechanics. 2014. V. 21. № 3. P. 309–317 https://doi.org/10.1134/S0869864314030056
  32. Davidson P.A. Turbulence: An Introduction For Scientists and Engineers, Oxford University Press: Oxford, MS, USA, 57. 2015. 629 с.
  33. Uruba V. Turbulence Handbook for Experimental Fluid Mechanics Professionals, Skovlunde: Dantec Dynamic. 23. 2012. 148 c.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема рабочего участка установки и система координат.

Скачать (18KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Вешний вид лопаточного завихрителя.

Скачать (25KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение степени закрутки с увеличением расстояния от завихрителя.

Скачать (35KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Профили продольной компоненты скорости потока (а) и ее среднеквадратичных пульсаций (б) в гладком канале вниз по течению от завихрителя.

Скачать (218KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Профили окружной компоненты скорости потока в канале вниз по течению от завихрителя.

Скачать (172KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Стоп-кадры визуализации течения в области разветвления каналов (проксимальный анастомоз) при Re = 1460: а — без закрутки потока; б — с закруткой потока при Y = 0.125.

Скачать (181KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Профили скорости в ответвлении Q1: а — без закрутки; б — с закруткой потока.

Скачать (224KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости распределения продольной компоненты скорости потока по длине ответвления Q1 на различных расстояниях от плоскости симметрии.

Скачать (99KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Профили среднеквадратичных пульсаций скорости в ответвлении Q1: а — без закрутки; б — с закруткой потока.

Скачать (237KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Изменение максимальных значений интенсивности пульсаций продольной компоненты скорости потока в ответвлении Q1: 1 – при отсутствии закрутки; 2 – на верхней и 3 – нижней границе области торможения закрученного потока.

Скачать (64KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Степень закрутки потока в ответвлении Q1.

Скачать (23KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Распределение окружной компоненты скорости потока по радиусу канала в ответвлении Q1.

Скачать (141KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Профили продольной компоненты скорости в ответвлении Q2: а — с закруткой; б — без закрутки потока.

Скачать (223KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Профили среднеквадратичных пульсаций продольной компоненты скорости потока в ответвлении Q2: а — с закруткой; б — без закрутки потока.

Скачать (319KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Изменение максимальных значений интенсивности пульсаций продольной компоненты скорости потока в ответвлении Q2: 1 – при отсутствии закрутки; 2 – в условиях закрутки потока.

Скачать (35KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Осциллограммы продольной компоненты скорости в области торможения потока (дефекта скорости) ответвления Q1 при x / d = 1.3: 1 – y / d = 0.46 (нижняя граница зоны торможения); 2 – высокоскоростной поток ниже зоны торможения; 3 – y / d = 0.76 (верхняя граница зоны торможения).

Скачать (132KB)
Метаданные
18. Рис. 17. Перемежающийся характер течения в ответвлении Q1 непосредственно за зоной торможения при x / d = 2.8.

Скачать (47KB)
Метаданные
19. Рис. 18. Сравнение спектров пульсаций продольной компоненты скорости потока в ответвлении Q1: 1 – x / d = 2.8; y / d = 0.76 (за зоной торможения); 2 – x / d = 1.3; y / d = 0.46 (слой смешения в нижней части зоны торможения).

Скачать (77KB)
Метаданные
20. Рис. 19. Осциллограммы скорости потока в ответвлении Q1 при отсутствии закрутки при x / d = 1.5: 1 – y / d = 0.16 (в зоне высокоскоростной струи над областью отрыва потока); 2 – y / d = 0.52 (в слое смешения на границе отрывной области).

Скачать (109KB)
Метаданные
21. Рис. 20. Сравнение спектров пульсаций продольной компоненты скорости потока в ответвлении Q1: 1 – x / d = 1.5; y / d = 0.52 (слой смешения на границе области отрыва потока); 2 – x / d = 4.5; y / d = 0.47 (слой смешения на границе области отрыва потока ниже по течению).

Скачать (97KB)
Метаданные
22. Рис. 21. Осциллограммы скорости потока в ответвлении Q2 при отсутствии закрутки: 1 – x / d = 1.0; y / d = 0.9 (в зоне высокоскоростной струи над областью отрыва потока); 2 – x / d = 2.5; y / d = 0.85 (в слое смешения на границе отрывной области).

Скачать (101KB)
Метаданные
23. Рис. 22. Сравнение спектров пульсаций продольной компоненты скорости потока в ответвлении Q2: 1 – x / d = 2.5; y / d = 0.85 (слой смешения на границе области отрыва потока в зоне наибольших среднеквадратичных пульсаций скорости); 2 – x / d = 4.5; y / d = 0.8 (слой смешения на границе области отрыва потока ниже по течению).

Скачать (74KB)
Метаданные
24. Рис. 23. Осциллограммы скорости потока в ответвлении Q2 в присутствии закрутки: 1 – x / d = 0.57; y / d = 0.76 (над отрывной областью в начале ее формирования); 2 – x / d = 1.03; y / d = 0.65 (в слое смешения в области наибольших пульсаций скорости).

Скачать (87KB)
Метаданные
25. Рис. 24. Спектры пульсаций скорости потока в ответвлении Q2 в присутствии закрутки потока: 1 – x / d = 1.03; y / d = 0.65 (в слое смешения в области наибольших пульсаций скорости); 2 – x / d = 3.1; y / d = 0.69 (в слое смешения вниз по потоку).

Скачать (66KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024