Конструкция кабелепровода с расширяющимся диаметром для увеличения потока

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 10201 (2023) Цитировать эту статью

222 доступа

Подробности о метриках

Кондуиты обычно используются для лечения поражений артерий и вен. Обычные стенты имеют цилиндрическую форму, что увеличивает сопротивление потоку с увеличением длины. В этом исследовании представлена ​​конструкция стентов и каналов, в которых калибр канала постепенно расширяется, чтобы уменьшить сопротивление, избегая при этом разделения потока. Приток обеспечивался из напорного резервуара при двух разных давлениях (т.е. давлении 10 и 25 мм рт. ст.) в цилиндрический или расширяющийся трубопровод. Первоначальные калибры кабелепроводов составляли 2, 3, 4 и 5 мм и длину 160, 310 и 620 мм в каждом случае. Скорости потока в трубах расширяющегося калибра (при скорости r4–6/см, где r — начальный радиус трубы) сравнивались с традиционными цилиндрическими трубами постоянного радиуса. Расширенный калибр обеспечивает значительно увеличенный поток: 16–55% для расширения R4/L, 9–44% для расширения R5/L и 1–28% для расширения R6/L. Моделирование потока с использованием вычислительной гидродинамики (CFD) использовалось для проверки и расширения экспериментальных результатов. Разделение потока было обнаружено для некоторых моделей моделирования путем расчета траекторий потока и напряжения сдвига стенки (WSS). Результаты показали, что скорость расширения калибра r6/см является оптимальной скоростью расширения для большинства потенциальных применений с минимальным отрывом потока, меньшим сопротивлением и увеличенным потоком.

Трубопровод с расширяющимся диаметром называется диффузором, который служит для увеличения давления сжимаемой жидкости (т. е. газа) по длине диффузора. Диффузор используется для конденсации газа в реактивных двигателях, турбодвигателях и воздушных насосах с турбулентным потоком, в таких устройствах, как сопла реактивных двигателей1. В организме человека вены имеют расширяющийся калибр, подобный диффузору, который проводит кровь (несжимаемую жидкость) для другой функции, т. е. для минимизации сопротивления потоку. Это очень важно, поскольку вены представляют собой завершающую часть кровообращения, где расходуется большая часть двигательной энергии, вырабатываемой сердцем. Оставшаяся остаточная энергия (< 5%) должна быть сохранена для завершения обратного потока к сердцу2,3. Конструкция расширяющегося трубопровода диффузионного типа может превосходить традиционную цилиндрическую конструкцию по функциональности, обеспечивая лучший поток и меньшие затраты энергии в потоках Пуазейля.

Попытки улучшить базовую конструкцию трубопровода для увеличения потока были на удивление редкими, учитывая, что традиционная цилиндрическая конструкция использовалась на протяжении нескольких тысячелетий. В настоящее время доступные методы увеличения потока включают подкачивающие насосы, резервуары для хранения (дополнительная энергия) и такие устройства, как клапаны и уравнительные резервуары, для оптимизации потока и подавления переходных процессов. Такие стратегии, как сифоны и байпасы, также использовались для минимизации потерь энергии при преобразовании потока (напор в скорость и наоборот). Кабелепроводы с полированной поверхностью минимизируют потери на трение; гладкий профиль без изгибов, локальных расширений и сужений позволяет снизить незначительные потери4,5.

Здесь предлагается новая конструкция с постепенно расширяющимся калибром, демонстрирующая существенное снижение сопротивления потоку по сравнению с цилиндрической конструкцией. Улучшение потока становится возможным за счет регулирования калибра такой длины, что общее сопротивление потоку снижается. Проблема в том, что увеличение калибра может привести к отрыву потока. Разделение потока происходит в различных жидкостных системах, что затрудняет поток и ухудшает производительность устройства.

Недавние достижения в области экспериментальной и численной механики жидкости привели к лучшему выяснению патологических явлений на внутренней стенке сосуда (т.е. эндотелия). По сути, общим знаменателем6 является низкий уровень WSS, вызванный главным образом отрывом потока. Эти исследования проводились путем трехмерной реконструкции сегментов артерий с последующим численным моделированием кровотока. Методы вычислительной гидродинамики (CFD) в сочетании с трехмерными реконструкциями сосудов на основе медицинских изображений позволяют рассчитывать желаемые параметры гемодинамики в реалистичных граничных условиях с высоким разрешением6,7,8,9,10. Численное моделирование потока использовалось, поскольку точные измерения профилей скорости в артериях in vivo невозможны.