Impatto dell'energia di attivazione e delle proprietà variabili sul flusso peristaltico attraverso il canale della parete porosa

Aug 21, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3219 (2023) Citare questo articolo

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Il presente studio discute il flusso peristaltico del fluido di Jeffrey attraverso un canale a parete porosa. Durante la formulazione del problema vengono presi in considerazione anche gli effetti magnetoidrodinamici (MHD). I trasferimenti di calore e di massa vengono discussi in presenza di energia di attivazione ed effetti costanti di sorgente/dissipatore di calore. Anche una reazione chimica fa parte dell'analisi. L'approccio della lubrificazione viene adottato per la semplificazione delle equazioni non lineari risultanti. Il comando MATHEMATICA, NDSolve, viene utilizzato per discutere graficamente i risultati per vari parametri di flusso come il numero di Hartman \((M)\), il parametro di porosità \((k)\), i parametri di scorrimento (\(\gamma ,{\gamma }_ {1},{\gamma }_{2}\)), numeri di Schmidt \((Sc)\), Soret \((Sr)\) e Prandtl \((Pr)\), e molti altri. Si nota il comportamento parabolico della velocità e la natura sinusoidale del trasferimento di calore e del gradiente di pressione. I risultati indicano che la velocità è fortemente influenzata dalla variazione dei valori dei parametri di scorrimento (γ′s) e del numero di Hartman \((H)\). Il miglioramento della natura viscoelastica del fluido provoca un aumento della velocità. Un comportamento simile si nota per i profili di velocità e temperatura. L'andamento decrescente è mostrato dalla concentrazione quando il valore dei parametri della reazione chimica e del rapporto temperatura aumenta. Pertanto, lo studio presentato nella presente analisi può essere utilizzato per studiare molti sistemi fisiologici umani, in particolare il flusso sanguigno. Poiché il fluido di Jeffrey presenta le stesse caratteristiche osservate per il sangue.

La modellazione matematica è impiegata in biomeccanica per studiare i sistemi fisiologici. La meccanica dei biofluidi è una sezione della biomeccanica che rivela la cinematica e la dinamica dei fluidi corporei negli esseri viventi. I progressi nella meccanica dei biofluidi consentono agli scienziati di studiare il flusso liquido dei vasi sanguigni, il tratto respiratorio, il sistema linfatico, il tratto gastrointestinale, il tratto urinario e vari altri. Recenti indagini rivelano applicazioni cliniche come organi artificiali, avanzamento dei vasi vascolari, progettazione di strumenti medici, creazione di membrane di materiali per l'ortopedia e molto altro. Processi analoghi del flusso di bioliquidi possono essere osservati in una varietà di situazioni all'interno del corpo umano, tra cui la più importante è la peristalsi e possono essere visti come base per il presente studio. Lo scopo principale della peristalsi è spostare i fluidi attraverso la struttura tubolare senza richiedere una differenza di pressione complessiva. Il termine peristalsi deriva dalla parola greca peristaltilkos, che significa "comprimere e afferrare". Secondo Merriam-Webster1 la peristalsi è costituita da onde consecutive di contrazione involontaria che passano lungo le pareti di una struttura muscolare cava e spingono in avanti il ​​contenuto. Il meccanismo della peristalsi del corpo umano ha iniziato a funzionare dopo che il cibo è stato masticato, inghiottito come bolo e passato attraverso l'esofago. Per evitare che il bolo ritorni verso la bocca, i muscoli lisci dietro di esso si restringono. È stata descritta per la prima volta da Bayliss e Starling2 come una sorta di motilità in cui c'è contrazione sopra e rilassamento sotto. L'applicazione industriale del pompaggio peristaltico viene sfruttata in diverse applicazioni che includono lo scambio di fluidi sterili, la pompa del sangue nelle macchine cuore-polmone, il trasporto di liquidi interni e pericolosi per prevenirne il coinvolgimento nell'ambiente circostante, ecc. Un uso moderno degno di nota del pompaggio peristaltico può essere visto nella progettazione le pompe a rulli che servono per evitare il contatto del fluido con l'attrezzatura di pompaggio. Il trasporto peristaltico su liquidi viscosi è stato introdotto per la prima volta da Latham3, nel 1966. Questo studio è stato ulteriormente ampliato da Shapiro et al.4.

Infatti non tutti i fluidi possiedono le caratteristiche di un fluido newtoniano. Pertanto, includiamo i fluidi non newtoniani nella nostra discussione. Tuttavia, realisticamente parlando, fluidi complicati come i boli alimentari che viaggiano attraverso l'esofago, l'urina che passa attraverso l'uretere o il chimo che attraversa il tratto gastrointestinale non aderirebbero ai principi della viscosità di Newton. Di conseguenza, nessuna singola relazione costitutiva può prevedere le caratteristiche di tutti i fluidi. In risposta a questo problema, sono stati proposti numerosi modelli costitutivi per identificare le proprietà dei fluidi non newtoniani. Le equazioni per il flusso delle sospensioni oleose dei pigmenti utilizzate nella stampa di fluidi tipo inchiostro sono state ampliate da Casson5. La teoria del fluido micropolare è stata trattata da Eringen6, che ha anche studiato a fondo caratteristiche quali stress di coppia, coppie di corpi, microrotazione ed effetti microinerziali. La teoria dei microfluidi, di cui il micropolare è un esempio specifico, fu presentata per la prima volta da Eringen6. Tra tutti questi modelli, il fluido di Jeffrey, che possiede qualità sia rilassanti che ritardanti, è comparativamente uno dei tipi più semplici di fluido viscoelastico. Perché il fluido di Jeffrey può prevedere gli effetti del tempo di rilassamento/ritardo, che sono cruciali per l'analisi delle proprietà viscoelastiche nelle industrie dei polimeri e nei sistemi fisiologici umani. Ramanamurthy et al.7 hanno studiato il flusso peristaltico del fluido viscoso attraverso un canale curvo bidimensionale. Il loro scopo principale è analizzare la natura instabile del flusso. Nadeem et al.8 hanno eseguito l'analisi endoscopica del liquido Prandtl sia nel quadro di riferimento fisso che in quello ondulato. Hanno affrontato l'effetto di varie forme d'onda sull'endoscopio. Il flusso di fluido basato sulla legge di potenza attraverso un tubo cilindrico è esaminato da Sadeghi e Talab9. I risultati indicano un miglioramento del flusso del fluido dovuto a valori elevati dell'indice della legge di potenza. Tripathi et al.10 hanno sviluppato un modello matematico per discutere il flusso intestinale prendendo fluido non newtoniano a bi-viscosità. Il loro studio aiuta a comprendere meglio l’idrodinamica gastrica. Il flusso assialsimmetrico del fluido Bingham attraverso la geometria cilindrica è studiato da Fusi e Farina11. Ramesh e Devaker12 hanno modellato il problema dell'endoscopio per discuterne l'applicazione alla biomedicina. Hanno preso il fluido dello stress di coppia per modellare il fluido fisiologico. L'applicazione della peristalsi al movimento del chimo nel tratto gastrointestinale può essere vista attraverso Vaidya et al.13. Il loro studio rivela il crescente impatto della viscosità variabile sulla dimensione del bolo. Al culmine della letteratura sopra menzionata, possiamo osservare le applicazioni nella vita reale del flusso di fluidi non newtoniani in ambito medico e industriale.