Transcript Document
Biomechanika przepływów WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; Krew jest mieszaniną osocza i krwinek Testy wykonane na krwi za pomocą wiskometru, którego wymiar charakterystyczny szczeliny pomiarowej jest dużo większy od wymiaru charakterystycznego krwinek pozwalają na wysunięcie następującego wniosku: W dużych naczyniach krwionośnych dla których wymiar charakterystyczny (średnica) jest dużo większy niż charakterystyczny wymiar krwinek, krew może być traktowana jak płyn jednorodny . Właściwości mechaniczne krwi traktowanej jako płyn jednorodny można ująć definiując odpowiednie równanie konstytutywne. WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; Zakładamy że jednorodny płyn który przybliża nam zachowanie krwi ma dwie podstawowe cechy: A) B) A) jest izotropowy B) jest nieściśliwy bazujemy na założeniu że przy braku naprężeń odkształcenie w płynie zanika i krwinki nie mają żadnego preferowanego kierunku w przestrzeni; wykorzystujemy fakt iż przy ciśnieniach panujących w organizmie człowieka ( normalne warunki fizjologiczne)nie wykazano wpływu ciśnienia na gęstość krwi; WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; Z obserwacji danych prezentowanych na poprzednim wykładzie można wysnuć wniosek ,że reologia krwi różni się od reologii płynu Newtonowskiego zmienna wartością lepkości. Dla płynu Newtonowskiego równanie konstytutywne wygląda następująco: (9.1) ij p ij 2 V ij tensor naprężeń lepkość płynu tensor odkształceń 1 u i u j V ij 2 x j xi składowe prędkości V ii V11 V 22 V 33 0 WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; Krew nie spełnia równania (9.1) ponieważ μ nie jest stałą a zmienia się wraz ze zmianą wartości naprężeń. Równanie (9.1) spełnia natomiast osocze krwi pozbawione krwinek. Można więc stwierdzić , że nie – Newtonowska natura krwi bierze się z obecności krwinek zawieszonych w krwi. Postaramy się teraz zmodyfikować równanie (9.1) tak aby opisywało zachowanie się krwi: Jednym z podstawowych założeń mechaniki ośrodków ciągłych jest to że równania opisujące ich dynamikę muszą być zgodne z algebrą tensorów tzn. każdy element musi być tensorem tego samego rzędu. Jeżeli decydujemy się aby równanie (9.1) opisywało zachowanie krwi z założeniem o izotropowości zachowań mechanicznych to μ musi być skalarną funkcją tensora odkształceń Vij . Vij jest symetrycznym tensorem rzędu 2 w przestrzeni trójwymiarowej WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; Vij ma trzy niezmienniki: I 1 V11 V 22 V 33 V 22 V 23 V 22 V 32 V 33 V11 V12 V13 I 3 V 21 V 22 V 23 V 31 V 32 V 33 I2 V11 V12 V 21 V 33 V 31 V13 V11 WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; Założyliśmy, że krew jest płynem nieściśliwym więc I1 = 0, I2 przyjmie więc wartości mniejsze od 0. Korzystniej jest wprowadzić więc nowy niezmiennik zdefiniowany następująco: (9.2) J2 1 3 I I2 2 1 1 2 V ijV ij A więc lepkość μ musi być funkcją J2 i I3 Z równania definiującego J2 widać że jest on funkcją odkształcenia, z doświadczeń widać że lepkość krwi zależy od szybkości ścinania a więc można stwierdzić że lepkość krwi jest funkcją J2 Można zaproponować następujące równanie konstytutywne dla przepływu krwi: (**) ij p ij 2 J 2 V ij WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; szybkość ścinania: (9.3) 1 v1 v 2 2 h 2 x2 x1 v 2V12 w tym przypadku wszystkie inne elementy tensora Vij wynoszą 0 więc niezmiennik J2 przyjmuje postać: J2 V 2 12 WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; a więc z równania na szybkość ścinania (9.3) wynika : 2 J 2 podczas gdy z równania konstytutywnego postaci (**) wynika: 12 2 J 2 V12 J 2 J 2 2 J 2 (9.4) Na poprzednim wykładzie przedstawiono dane doświadczalne które spełniały równanie Cassona , które można przedstawić w postaci: 12 y 2 (9.5) WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; z porównania równań (9.4) i (9.5) wynika że lepkość krwi może być przedstawiona w postaci zależności: y 2 Pozwala to nam zdefiniować równanie konstytutywne dla krwi w przepływie w postaci: ij p ij 2 J 2 V ij 2 2 2 4 J 2 2 y 1 1 J 2 1 J 22 1 2 (9.6) WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; Równanie (9.6) jest słuszne dla J2 różnego od 0 i przyjmującego małe wartości. Jeżeli J2 przyjmuje duże wartości wyniki eksperymentalne redukują się do prostej zależności μ=const. i wtedy równanie (9.1) może być stosowane do opisu przepływu krwi. Punkt przejścia pomiędzy zachowaniem Newtonowskim rów. (9.1) a nie Niewtonowskim rów. (9.6) zależy od wartości Hematokrytu. Hematokryt – objętość czerwonych krwinek do całkowitej objętości. Dla normalnej krwi z małą wartością Hematokrytu H= 8.25 % lepkość jest wartością stałą w szerokim zakresie naprężeń ścinających od 0.1 to 10000 s-1. Dla wartości Hematokrytu H=18 % krew zachowuje się jak płyn Newtonowski kiedy γ>600 s-1 dla mniejszych wartości naprężeń spełnione jest równanie (9.6) WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; W przypadku ustania przepływu kiedy Vij=0 równanie konstytutywne (9.6) musi być zastąpione nową relacją naprężenia- odkształcenia. Dla takiego zachowania krwi posiadamy bardzo mało danych, więc tylko hipotetyczne równania konstytutywne mogą być zaproponowane. Rozważmy teraz bardzo prosty przypadek laminarnego przepływu krwi przewodem kołowym. Zakładamy : przewód jest długi a przepływ jest ustalony WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; Najlepiej rozpatrywać problem we współrzędnych cylindrycznych. Przepływ spełnia równanie Naviera-Stokesa dla płynów nieściśliwych. Na ściankach przyjmujemy warunek brzegowy zerowania się prędkości krwi. Przepływ jest symetryczny , tylko współrzędna u(r) nie zanika. u(r) jest funkcją tylko r. Rozpatrzmy cylinder o średnicy r i jednostkowej długości wycięty z przepływu. Doznaje on działania ciśnienia p1 i p2 oraz naprężeń τ na powierzchni bocznej walca. p1 p 2 1 dp dx działa na powierzchnię r 2 WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; natomiast τ działa na powierzchnię 1*2πr W stanie ustalonym równanie równowagi sił wygląda następująco: 2 r r 2 dp dx lub r dp (Stokes, 1851) 2 dx Teraz musimy wprowadzić równanie konstytutywne wiążące naprężenia z odkształceniem WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; płyn Newtonowski du du dr dr r dp 2 dx przy naszych założeniach dp/dx musi być wartością stałą a wiec po scałkowaniu: u r 2 dp 4 dx B stałą B można wyznaczyć z warunku brzegowego: ra u 0 u 1 4 a 2 r 2 dp dx (paraboliczny profil prędkości) WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; Strumień może być obliczony przez scałkowanie: a Q 2 urdr Q 0 i średnia prędkość przepływu: um a 2 a 4 dp 8 dx dp 8 dx WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; krew z Lepkością opisaną równaniem Cassona: równanie r dp jest ważne dla każdego rodzaju płynu 2 dx brak przepływu Naprężenia ścinające działające na powierzchnię cylindryczną są funkcją promienia r. W tej strefie bez przepływu jeżeli zachodzi ruch to tak jak dla bryły sztywnej. profil prędkości zależy więc od wartości τy i τw ścianka granica płynięcia WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; r dp 2 dx jeżeli y w w a dp y rc dp 2 dx 2 dx nie mamy przepływu u 0 rc a jeżeli y w rc a dp dx dp dx 2 y a 2 y a WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; i profil prędkości musi wyglądać następująco: dla r<rc profil jest płaski. Dla r>rc i r<a równanie Cassona jest spełnione. r dp 2 dx y rozwiązując względem γ 1 dr du stąd możemy wyznaczyć profil prędkości: r dp 2 dx y 2 WYKŁAD 9 : Przepływ krwi C. D.; 1 dp 2 8 2 u a r 4 dx 3 3 3 2 2 rc a r 2 rc a r dla r=rc prędkość przyjmuje wartość u 1 dp 4 dx a 3 rc a 1 3 rc