Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною

Розглядається використання теорiї змащування й методу збурень для розв’язання задачi про рух кровi у дуже вузьких капiлярах. Еритроцит i плазма кровi моделюються тривiсним елiпсоїдом та ньютонiвською в’язкою рiдиною вiдповiдно. Результати порiвнюються з результатами iнших авторiв....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2013
Автори: Каліон, В.А., Таран, Є.Ю., Дідківська, О.М.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2013
Назва видання:Доповіді НАН України
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85394
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною / В.А. Калiон, Є.Ю. Таран, О.М. Дiдкiвська // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 2. — С. 65–70. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-85394
record_format dspace
spelling irk-123456789-853942015-08-02T03:02:00Z Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною Каліон, В.А. Таран, Є.Ю. Дідківська, О.М. Фізика Розглядається використання теорiї змащування й методу збурень для розв’язання задачi про рух кровi у дуже вузьких капiлярах. Еритроцит i плазма кровi моделюються тривiсним елiпсоїдом та ньютонiвською в’язкою рiдиною вiдповiдно. Результати порiвнюються з результатами iнших авторiв. Рассматривается использование теории смазки и метода возмущений для решения задачи о движении крови в очень узких капиллярах. Эритроцит и плазма крови моделируются трехосным эллипсоидом и ньютоновской вязкой жидкостью соответственно. Результаты сравниваются с результатами других авторов. Applications of lubrication theory and a perturbation method to the problems of blood flow in very narrow capillaries are examined. The erythrocyte and plasma of blood are modeled with the threeaxial ellipsoid and with a Newtonian viscous fluid, respectively. The results are compared with results of other authors. 2013 Article Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною / В.А. Калiон, Є.Ю. Таран, О.М. Дiдкiвська // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 2. — С. 65–70. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85394 532.5 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
topic Фізика
Фізика
spellingShingle Фізика
Фізика
Каліон, В.А.
Таран, Є.Ю.
Дідківська, О.М.
Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною
Доповіді НАН України
description Розглядається використання теорiї змащування й методу збурень для розв’язання задачi про рух кровi у дуже вузьких капiлярах. Еритроцит i плазма кровi моделюються тривiсним елiпсоїдом та ньютонiвською в’язкою рiдиною вiдповiдно. Результати порiвнюються з результатами iнших авторiв.
format Article
author Каліон, В.А.
Таран, Є.Ю.
Дідківська, О.М.
author_facet Каліон, В.А.
Таран, Є.Ю.
Дідківська, О.М.
author_sort Каліон, В.А.
title Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною
title_short Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною
title_full Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною
title_fullStr Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною
title_full_unstemmed Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною
title_sort математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2013
topic_facet Фізика
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85394
citation_txt Математичне моделювання руху тривісного еліпсоїда в капілярі, що заповнений в'язкою рідиною / В.А. Калiон, Є.Ю. Таран, О.М. Дiдкiвська // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2013. — № 2. — С. 65–70. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
series Доповіді НАН України
work_keys_str_mv AT kalíonva matematičnemodelûvannâruhutrivísnogoelípsoídavkapílâríŝozapovnenijvâzkoûrídinoû
AT taranêû matematičnemodelûvannâruhutrivísnogoelípsoídavkapílâríŝozapovnenijvâzkoûrídinoû
AT dídkívsʹkaom matematičnemodelûvannâruhutrivísnogoelípsoídavkapílâríŝozapovnenijvâzkoûrídinoû
first_indexed 2025-07-06T12:36:30Z
last_indexed 2025-07-06T12:36:30Z
_version_ 1836901090219524096
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 2 • 2013 ФIЗИКА УДК 532.5 В.А. Калiон, Є. Ю. Таран, О. М. Дiдкiвська Математичне моделювання руху тривiсного елiпсоїда в капiлярi, що заповнений в’язкою рiдиною (Представлено членом-кореспондентом НАН України В. I. Нiкiшовим) Розглядається використання теорiї змащування й методу збурень для розв’язання за- дачi про рух кровi у дуже вузьких капiлярах. Еритроцит i плазма кровi моделюються тривiсним елiпсоїдом та ньютонiвською в’язкою рiдиною вiдповiдно. Результати по- рiвнюються з результатами iнших авторiв. Експериментальнi дослiдження процесiв поширення поживних речовин в органiзмi людини зустрiчаються з iстотними труднощами, що обумовленi малими розмiрами дослiджуваних об’єктiв, похибками вимiрiв i, що особливо неприємно, неможливiстю вимiряти безпосеред- ньо деякi параметри, як, наприклад, тиск плазми мiж еритроцитом та стiнкою капiляра, натяг мембрани еритроцита при його перемiщеннi по дрiбних судинах тощо. Застосува- ння математичного моделювання й обчислювальних засобiв при дослiдженнi поширення речовин (особливо кисню) в органiзмi дозволило подолати цi труднощi й знайти ефективнi пiдходи до розв’язання проблеми транспорту речовин в органiзмi людини. У зв’язку з обме- женiстю можливостей комп’ютерiв важливим є питання оптимiзацiї розв’язання подiбних математичних моделей. До цього часу при моделюваннi руху еритроцитiв у вузьких капiлярах усi автори вико- ристовують осесиметричнi моделi [1, 3–5]. Використання осесиметричної моделi як моделi еритроциту пов’язано з роботою Дж.М. Фiтц-Джеральда [3], який вперше побудував ма- тематичну модель i поставив задачу про усталений рух тривiсного елiпсоїда у вузькому цилiндричному капiлярi. В роботi [3], зокрема, було показано, що з плином часу неосеси- метрична форма еритроцита переходить в осесиметричну. В той же час на всiх вiдомих мiкрофотографiях [2] видно, що бiльшiсть еритроцитiв у капiлярах має суто неосесимет- ричну форму. Проведенi в роботi дослiдження дозволяють оцiнити внесок “осесиметричностi” у витрат- нi характеристики течiї кровi у вузьких капiлярах та пояснити невiдповiднiсть математич- ної моделi Фiтц-Джеральда й картини руху реальних еритроцитiв. © В. А. Калiон, Є. Ю. Таран, О.М. Дiдкiвська, 2013 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №2 65 Метод дослiдження. Вивчається течiя рiдини у щiлинi шириною H(ϕ,Z) = R0 − − RE(ϕ,Z) ≪ R0, яка утворена стiнкою капiляра та елiпсоїдом з осями 2A, 2B, 2C, що моделює еритроцит. За припущень теорiї мастильного шару течiя описується системою рiв- нянь Рейнольдса, яка в цилiндричнiй системi координат (R, ϕ, Z) має вигляд ∂P ∂R = 0, ∂P ∂ϕ = µ ∂ ∂R ( R ∂Vϕ ∂R ) , ∂P ∂Z = µ R ∂ ∂R ( R ∂VZ ∂R ) , ∂(RVR) ∂R + ∂Vϕ ∂ϕ + ∂(RVZ) ∂Z = 0. (1) Тут R0 — радiус капiляра; RE(ϕ,Z) — форма поверхнi еритроцита; VR, Vϕ, VZ — ком- поненти швидкостi течiї; P — тиск; µ — в’язкiсть плазми кровi. Крайовi умови для рiвнянь (1) у системi вiдлiку, що пов’язана з центром елiпсоїда, записуються у виглядi: R = R0, VR = 0, Vϕ = 0, VZ = −WE, R = RE(ϕ,Z), VR = 0, Vϕ = 0, VZ = 0, (2) де WE — постiйна швидкiсть руху елiпсоїда в нерухомiй системi координат. При розв’язаннi крайової задачi (1), (2) використовуються безрозмiрнi змiннi r = R R0 , z = Z R0 , vr = VR V∗ , vϕ = Vϕ V∗ , vz = VZ V∗ , p = PR0 µV∗ , rE = RE R0 , wE = WE V∗ ; тут V∗ поки що не визначена. Рiвняння (1) та крайовi умови (2) при цьому стають ∂p ∂r = 0, ∂p ∂ϕ = ∂ ∂r ( r ∂vϕ ∂r ) , ∂p ∂z = 1 r ∂ ∂r ( r ∂vz ∂r ) , ∂(rvr) ∂r + ∂vϕ ∂ϕ + ∂(rvz) ∂z = 0, (3) r = 1, vr = 0, vϕ = 0, vz = −wE; r = rE(ϕ, z), vr = 0, vϕ = 0, vz = 0. (4) Подвiйне iнтегрування другого й третього рiвнянь системи (3) за змiнною r, з ураху- ванням (4), дозволяє отримати явнi залежностi мiж компонентами швидкостi vϕ, vz (vr визначається iз рiвняння нерозривностi) й градiєнта тиску p. Тиск, в свою чергу, може бути визначений iз крайової задачi ∂ ∂ϕ [ F (η1) ∂p ∂ϕ ] + 1 8 ∂ ∂z [ F (η2) ∂p ∂z ] = 1 2 ∂ ∂z [G(η2)], 0 < ϕ < π 2 , −c < z < c, (5) z = −c, p = 0; z = c, p const = −∆p; ϕ = 0, ∂p ∂ϕ = 0; ϕ = π 2 , ∂p ∂ϕ = 0, (6) де F (η) = − [ 1− η2 2 + (1− η)2 ln η ] , G(η) = 1− η ln η , (7) η2 = η20 1− ε sin2 ϕ , η20 = a2 ( 1− z2 c2 ) , ε = 1− a2 b2 , η1 = √ η2, η10 = √ η20. (8) Тут a = A/R0, b = B/R0, c = C/R0. 66 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №2 Однак вирази для компонент швидкостi, рiвняння (5) й крайовi умови (6) мiстять до- датковi невiдомi: швидкiсть елiпсоїда wE й рiзницю тискiв на кiнцях елiпсоїда ∆p. Для їх визначення використанi двi додатковi iнтегральнi умови. Перша є наслiдком умови сталостi швидкостi руху тiла в капiлярi, що вимагає, в свою чергу, щоб проекцiя на вiсь z головного вектора гiдродинамiчних сил, якi дiють на тiло, була нульовою. Друга — умови незмiнностi витрати рiдини через довiльний перерiз капiляра. Хоча остання умова вносить нову невiдому — витрату рiдини через довiльний перерiз капiляра wm, вибiр масштаба швидкостi V∗ =WE дозволяє зафiксувати величину швидкостi тiла (wE = 1) й не збiльшувати кiлькiсть невiдомих. З урахуванням (7), (8) iнтегральнi умови набувають вигляду 2 π/2 ∫ 0 c ∫ −c { ∂p ∂z [ G(η2) + (η2 +G(η2)) 1 η2 ( ∂rE ∂ϕ )2] + 4 ln η2 [ 1 + 1 η2 ( ∂rE ∂ϕ )2]} dzdϕ = 0, (9) wm = 1 2π π 2 ∫ 0 ∂p ∂z F (η2) dϕ− 2 π π 2 ∫ 0 G(η2) dϕ. (10) де wm — безрозмiрна витрата рiдини в довiльному перерiзi капiляра. Рiвняння (5), спiввiдношення (7), (8) та iнтегральнi умови (9), (10) мiстять малий па- раметр ε. Припускаючи a 6 b, маємо 0 6 ε < 1. Розглядаючи випадок ε ≪ 1, розв’язок крайової задачi (5), (6) можна отримати методом збурень. Оскiльки розвинення в ряд за малим параметром ε функцiй, що входять у рiвняння (5) пiд знаком похiдної, можна подати як F (ηk) = F (ηk0) + ε 2 sin2 ϕηk0F ′(ηk0) + ε2 8 sin4 ϕ[η2k0F ′′(ηk0) + 3ηk0F ′(ηk0)] + · · · , (11) G(η2) = G(η20) + ε sin2 ϕη20G ′(η20) + ε2 2 sin4 ϕ[η220G ′′(η20) + 2η20G ′(η20)] + · · · , (12) то розв’язок крайової задачi (5), (6) слiд шукати у виглядi p(ϕ, z) = ψ0(z)+ε[ψ1(z) sin 2 ϕ+g1(z)]+ ε2 2 [ψ2(z) sin 4 ϕ+g2(z) sin 2 ϕ+k2(z)]+· · · . (13) У розвиненнi (11) k = 1, 2. Слiд вiдзначити, що крайовi умови при ϕ = 0 й ϕ = π/2 при цьому виконуються автоматично. Пiдставляючи (11)–(13) у рiвняння (5) i крайовi умови (6) i збираючи члени з однакови- ми степенями ε й sin2 ϕ, отримаємо низку крайових задач для визначення функцiй ψ0(z), ψ1(z), g1(z), ψ2(z), g2(z), k2(z), . . . . Крайовi умови в цих задачах включають невiдомi iнте- гральнi параметри — витрату рiдини в довiльному перерiзi капiляра wm та рiзницю тискiв ∆p на кiнцях елiпсоїда. Iз iнтегральних умов (9), (10) цi iнтегральнi параметри з точнiстю до малих другого порядку можуть бути наведенi у виглядi wm = wm0 + εwm1, ∆p = ∆p0 + ε∆p1. (14) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №2 67 У нульовому наближеннi, що вiдповiдає елiпсоїду обертання, маємо wm0 = − c ∫ −c [ G2(η20) F (η20) + 1 ln η20 ] dz c ∫ −c G(η20) F (η20) dz , ∆p0 = −4 [ wm0 c ∫ −c dz F (η20) + c ∫ −c G(η20) F (η20) dz ] . (15) Як i у випадку нульового наближення, визначення iнтегральних характеристик у пер- шому наближеннi зводиться до квадратур. Знаходження iнтегральних параметрiв wm та ∆p дозволяє визначити в явному вигля- дi крайовi умови для рiвнянь, iз яких знаходяться ψ0(z), ψ1(z), g1(z), i розв’язати для цих функцiй вiдповiднi крайовi задачi. Для розв’язання цих задач використовувався метод стрiльби, за процедурою якого на вiдрiзку −c 6 z 6 c були розв’язанi такi задачi Кошi: dψ0 dz = 4 wm0 +G(η20) F (η20) , dψ1 dz = 1 F (η20) [ u− F1(η20) dψ0 dz + 4G1(η20) ] , dg1 dz = 8wm1 − F1(η20) dψ0 dz + 4G1(η20) 2F (η20) − 1 2 dψ1 dz , du dz = 32F (η10)ψ1, z = −c, ψ0 = 0, ψ1 = 0, g1 = 0, u = u0, (16) де u0 — параметр стрiльби; F1(η) = ηF ′(η), G1(η) = ηG′(η). Числовi результати та їх аналiз. Результати числового експерименту наведенi в табл. 1 та на рис. 1, 2. В табл. 1 поданi деякi iнтегральнi характеристики течiї, що ви- значаються за формулами (14): безрозмiрнi рiзниця тискiв ∆p, ефективна в’язкiсть η = = ∆p/(16cwm) й витрата рiдини wm в околi еритроцита, що рухається в цилiндричному капiлярi пiд дiєю сталої рiзницi тискiв, коли моделлю еритроцита є тривiсний елiпсоїд abc = (0,9; 0,99; 1,0), а також у випадку елiпсоїдiв обертання abc = (0,9; 0,9; 1,0), abc = = (0,99; 0,99; 1,0) та для “ефективного” елiпсоїда обертання abc = (0,944; 0,944; 1,0). “Ефек- тивний” елiпсоїд — це осесиметричний елiпсоїд, який має такий самий перерiз у площи- нi z = 0, що й тривiсний елiпсоїд abc = (0,9; 0,99; 1,0). Привертає увагу менша величина безрозмiрних рiзницi тискiв й ефективної в’язкостi при русi тривiсного елiпсоїда, порiвняно з їх величинами при русi елiпсоїда обертання, що має той самий перерiз. При тому безрозмiрнi витрати рiдини для них вiдрiзняються менше, нiж на 1%. Таблиця 1. Числовi значення безрозмiрних рiзницi тискiв, ефективної в’язкостi й витрати рiдини в околi еритроцита Напiвосi елiпса Безрозмiрна рiзниця тискiв Ефективна в’язкiсть Витрата рiдини a b c ∆p η wm 0,9 0,99 1,00 38,4623 2,6043 0,92310 0,99 0,99 1,00 142,9727 9,0546 0,98688 0,944 0,944 1,00 46,8131 3,1430 0,93088 0,9 0,9 1,00 30,9246 2,1895 0,88276 68 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №2 Рис. 1. Залежнiсть приведеного тиску (p+∆p)/∆p вiд приведеної поздовжньої координати z/c на вiдрiзку [−1, 1] й кута ϕ на промiжку [0, 90◦] для тривiсного елiпсоїда Рис. 2. Залежностi приведеного тиску вiд поздовжньої координати для тривiсного елiпсоїда при рiзних значеннях кута ϕ, а також для рiзних елiпсоїдiв обертання. Кружечками й трикутниками позначенi данi iнших авторiв Тому є важливим поряд iз iнтегральними характеристиками течiї розглянути її локальнi характеристики — в першу чергу профiль тиску у мастильному шарi мiж еритроцитом i стiнкою капiляра. На рис. 1 наведено графiк залежностi приведеного тиску (p + ∆p)/∆p вiд приведеної поздовжньої координати z/c на вiдрiзку [−1, 1] й кута ϕ на промiжку [0, 90◦] для тривiсного елiпсоїда abc = (0,9; 0,99; 1,0). Рис. 2 також демонструє залежностi приведеного тиску (p + ∆p)/∆p вiд приведеної поздовжньої координати z/c на вiдрiзку [−1, 1] при фiксованих значеннях кута ϕ [0, 45◦, 90◦] для того ж тривiсного елiпсоїда. На рис. 2 також наведенi значення тиску для елiпсоїдiв обертання abc = (0,9; 0,9; 1,0), abc = (0,99; 0,99; 1,0) та abc = (0,944; 0,944; 1,0). Останнiй елiпсоїд обертання має той же самий перерiз в площинi z = 0, що й тривiсний елiпсоїд abc = (0,9; 0,99; 1,0). Крiм того, на рис. 2 подано результати розрахункiв приведеного тиску для елiпсоїда обертання abc = (0,99; 0,99; 1,0) з статей Рiчарда Скейлака [4, 5] (трикутники) та з ди- ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2013, №2 69 сертацiйної роботи В.А. Калiона [1] (кружечки). Звертає на себе увагу повний збiг усiх результатiв. З рис. 2 випливає, що максимальнi значення профiлю тиску при рiзних кутах ϕ для тривiсного елiпсоїда значно меншi, нiж для елiпсоїда обертання, що вiдповiдає значенню a = 0,9 (ϕ = 0) або a = 0,99 (ϕ = 90◦). Слiд зауважити, що профiль приведеного тиску для елiпсоїда обертання при a = 0,944 (його площа перерiзу при z = 0 дорiвнює площi пере- рiзу тривiсного елiпсоїда) майже збiгається з профiлем приведеного тиску для тривiсного елiпсоїда при ϕ = 90◦ (a = 0,99). Таким чином, результати розрахункiв за побудованою математичною моделлю руху кро- вi у дуже вузьких капiлярах в нульовому наближеннi (осесиметричний елiпсоїд) повнiстю збiгаються з результатами iнших авторiв [1, 4, 5]. Оцiнка профiлiв тиску й iнтегральних характеристик для тривiсних й осесиметричних елiпсоїдiв дозволяє стверджувати, що не- осесиметрична форма тiла при русi в дуже вузьких капiлярах є бiльш енергетично вигiдна. А отже, проведене числове моделювання руху кровi у дуже вузьких капiлярах пiдтверджує можливiсть руху неосесиметричних еритроцитiв у дуже вузьких капiлярах й ставить пiд сумнiв висновки, зробленi в роботi Дж.М. Фiтц-Джеральда [3]. 1. Калион В.А. Математические модели движения кровяных телец и их линейных агрегатов в капил- лярах: Автореф. дис. . . . канд. физ.-мат. наук. – Киев: 1984. – 24 с. 2. Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения. – Москва: Мир. – 1981. – 658 с. 3. Фитц-Джеральд Дж.М. Механика движения эритроцитов в очень узких капиллярах // Механика. – 1971. – No 4. – С. 90–118. 4. Tozeren H., Skalak R. Flow of elastic compressible spheres in tubes // J. Fluid Mech. – 1979. – 95. – No 6. – P. 743–760. 5. Zarda P.R., Chien S., Skalak R. Elastic deformations of red blood cells // J. Biomechanics. – 1977. – 10. – No 2. – P. 211–221. Надiйшло до редакцiї 19.06.2012Київський нацiональний унiверситет iм. Тараса Шевченка В.А. Калион, Е.Ю. Таран, Е.Н. Дидковская Математическое моделирование движения трехосного эллипсоида в капилляре, заполненном вязкой жидкостью Рассматривается использование теории смазки и метода возмущений для решения задачи о движении крови в очень узких капиллярах. Эритроцит и плазма крови моделируются трехосным эллипсоидом и ньютоновской вязкой жидкостью соответственно. Результаты сравниваются с результатами других авторов. V.A. Kalion, E.Yu. Taran, O.M. Didkivska Mathematical modeling of the three-axial ellipsoid motion through a capillary filled with a viscous liquid Applications of lubrication theory and a perturbation method to the problems of blood flow in very narrow capillaries are examined. The erythrocyte and plasma of blood are modeled with the three- axial ellipsoid and with a Newtonian viscous fluid, respectively. The results are compared with results of other authors. 70 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2013, №2