Οι μηχανικοί προβλέπουν πώς το ρέον υγρό θα κάμψει μικροσκοπικές τρίχες που ευθυγραμμίζουν τα αιμοφόρα αγγεία και τα έντερα
Η ροή του υγρού μέσω μικρών σωλήνων, όπως τα αιμοφόρα αγγεία και τα έντερα, είναι απαραίτητη για πολλές φυσιολογικές διεργασίες. Ωστόσο, η συμπεριφορά του υγρού που ρέει μέσω αυτών των σωλήνων είναι πολύπλοκη και δεν είναι πλήρως κατανοητή. Οι μηχανικοί εργάζονται για την ανάπτυξη μοντέλων και προσομοιώσεων που μπορούν να προβλέψουν πώς το υγρό θα ρέει μέσα από αυτούς τους σωλήνες και πώς θα αλληλεπιδράσει με τις μικροσκοπικές τρίχες που τις ευθυγραμμίζουν.
Η πρόκληση
Η πρόκληση στην πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο το υγρό θα ρέει μέσα από τους μικρούς σωλήνες είναι ότι η ροή είναι συχνά ταραγμένη. Η ταραχώδη ροή χαρακτηρίζεται από τυχαίες και χαοτικές διακυμάνσεις στην ταχύτητα και την πίεση. Αυτό καθιστά δύσκολη την πρόβλεψη της ακριβούς διαδρομής που θα πάρει ένα υγρό σωματίδιο καθώς ρέει μέσα από ένα σωλήνα.
Επιπλέον, οι μικροσκοπικές τρίχες που ευθυγραμμίζουν τα αιμοφόρα αγγεία και τα έντερα μπορούν επίσης να επηρεάσουν τη ροή του υγρού. Αυτές οι τρίχες, γνωστές ως Cilia, συνεχώς κυματίζουν μπροστά και πίσω, οι οποίες μπορούν να δημιουργήσουν πρόσθετες αναταραχές και να κάνουν τη ροή ακόμα πιο δύσκολη στην πρόβλεψη.
Τα μοντέλα
Οι μηχανικοί αναπτύσσουν μια ποικιλία μοντέλων και προσομοιώσεων για να προβλέψουν πώς το υγρό θα ρέει μέσα από μικρούς σωλήνες και πώς θα αλληλεπιδράσει με το κέλυφος. Αυτά τα μοντέλα κυμαίνονται από απλά αναλυτικά μοντέλα έως πολύπλοκες υπολογιστικές προσομοιώσεις.
Ένας κοινός τύπος αναλυτικού μοντέλου είναι το μοντέλο ροής poiseuille. Αυτό το μοντέλο υποθέτει ότι η ροή είναι στρωτή, πράγμα που σημαίνει ότι είναι ομαλή και ομαλή. Το μοντέλο ροής Poiseuille μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της πτώσης πίεσης και της ταχύτητας του υγρού που ρέει μέσω ενός σωλήνα.
Ένας άλλος τύπος αναλυτικού μοντέλου είναι το μοντέλο ροής Womersley. Αυτό το μοντέλο λαμβάνει υπόψη τις επιδράσεις της παλμικής ροής, που είναι ο τύπος ροής που συμβαίνει στα αιμοφόρα αγγεία. Το μοντέλο ροής Womersley μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της ταχύτητας και της διατμητικής τάσης του υγρού που ρέει μέσω ενός σωλήνα.
Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις είναι ένα άλλο ισχυρό εργαλείο για την πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο το υγρό θα ρέει μέσω μικρών σωλήνων. Αυτές οι προσομοιώσεις χρησιμοποιούν αριθμητικές μεθόδους για την επίλυση των εξισώσεων που διέπουν τη μηχανική υγρού. Οι υπολογιστικές προσομοιώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το μοντέλο σύνθετων γεωμετριών και συνθηκών ροής που δεν είναι εύκολα επιδεκτικές σε αναλυτικά μοντέλα.
Οι εφαρμογές
Τα μοντέλα και οι προσομοιώσεις που αναπτύσσονται οι μηχανικοί για να προβλέψουν πώς το υγρό θα ρέει μέσω μικρών σωλήνων και πώς θα αλληλεπιδράσει με το Cilia έχει μια ποικιλία εφαρμογών. Αυτές οι εφαρμογές περιλαμβάνουν:
* Σχεδιασμός ιατρικών συσκευών, όπως στεντ και καθετήρες, που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία καρδιαγγειακών παθήσεων.
* Ανάπτυξη νέων φαρμάκων που μπορούν να παραδοθούν αποτελεσματικότερα σε συγκεκριμένα μέρη του σώματος.
* Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η ροή του υγρού μέσω των εντέρων επηρεάζει την απορρόφηση θρεπτικών ουσιών.
* Προβλέποντας τη συμπεριφορά του υγρού που ρέει μέσω μικρορευστοειδών συσκευών, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε μια ποικιλία εφαρμογών, όπως δοκιμή φαρμάκων και χημική ανάλυση.
Το έργο που κάνουν οι μηχανικοί για να προβλέψουν πώς το υγρό θα ρέει μέσα από μικρούς σωλήνες και πώς θα αλληλεπιδράσει με το Cilia είναι απαραίτητο για την προώθηση της κατανόησης πολλών φυσιολογικών διεργασιών και για την ανάπτυξη νέων ιατρικών συσκευών και θεραπειών.
