血管や腸などの小さなチューブを通る流体の流れは、多くの生理学的プロセスに不可欠です。ただし、これらのチューブを流れる液体の挙動は複雑であり、完全には理解されていません。エンジニアは、これらのチューブを介して流体がどのように流れ、それが並ぶ小さな毛と相互作用するかを予測できるモデルとシミュレーションの開発に取り組んでいます。
課題
流体が小さなチューブをどのように流れるかを予測する際の課題は、流れがしばしば乱流であることです。乱流は、速度と圧力のランダムで混oticとした変動によって特徴付けられます。これにより、流体粒子がチューブを流れるときに採取する正確な経路を予測することが困難になります。
さらに、血管や腸に並ぶ小さな毛も、液体の流れに影響を与える可能性があります。繊毛として知られているこれらの毛は、常に前後に振られているため、追加の乱流が生じ、予測がさらに困難になる可能性があります。
モデル
エンジニアは、さまざまなモデルとシミュレーションを開発して、液体が小さなチューブをどのように流れるか、それが繊毛とどのように相互作用するかを予測しています。これらのモデルは、単純な分析モデルから複雑な計算シミュレーションにまで及びます。
分析モデルの一般的なタイプの1つは、PoiseUilleフローモデルです。このモデルは、流れが層流であると想定しています。つまり、滑らかで整然としていることを意味します。 PoiseUilleフローモデルを使用して、チューブを流れる流体の圧力降下と速度を予測できます。
別のタイプの分析モデルは、Womersleyフローモデルです。このモデルは、血管で発生する流れのタイプである脈拍の流れの影響を考慮しています。 Womersleyフローモデルを使用して、チューブを流れる液体の速度とせん断応力を予測できます。
計算シミュレーションは、液体が小さなチューブを流れる方法を予測するためのもう1つの強力なツールです。これらのシミュレーションは、数値的手法を使用して、流体力学の支配方程式を解きます。計算シミュレーションを使用して、分析モデルに簡単に適格ではない複雑な形状とフロー条件をモデル化できます。
アプリケーション
エンジニアが液体が小さなチューブをどのように流れるか、そしてそれがどのように繊毛と相互作用するかを予測するために、エンジニアが開発しているモデルとシミュレーションには、さまざまなアプリケーションがあります。これらのアプリケーションには次のものが含まれます。
*心血管疾患の治療に使用されるステントやカテーテルなどの医療機器の設計。
*身体の特定の部分により効果的に供給できる新薬の開発。
*腸を通る流体の流れが栄養吸収にどのように影響するかを理解する。
*薬物検査や化学分析など、さまざまな用途で使用されるマイクロ流体デバイスを介して流れる液体の挙動を予測します。
エンジニアが液体が小さなチューブをどのように流れるか、それが繊毛とどのように相互作用するかを予測するために行っている仕事は、多くの生理学的プロセスの理解を進め、新しい医療機器と治療を開発するために不可欠です。
