Μετρήσεις Θερμοκρασιακού Πεδίου Ρευστού Σε Ασσύμετρα Θερμαινόμενη Στένωση Αγωγού Με Χρήση Υγρών Κρυστάλλων

Abstract

Πολλές in vivo και in vitro ιατρικές μελέτες έχουν γίνει με σκοπό να διερευνήσουν τη συσχέτιση της θερμοκρασιακής ετερογένειας, μεταξύ αθηρωματικής πλάκας και του παρακείμενου υγιούς αγγειακού τοιχώματος, με την αποκόλληση της πλάκας και κατ΄ επέκταση με την πρόκληση οξέων στεφανιαίων συνδρόμων. Με αφορμή αυτές τις εργασίες πραγματοποιήσαμε πείραμα χρησιμοποιώντας, ως μηχανικό ανάλογο αγγείου, οριζόντιο σωλήνα από plexiglas σε σημείο του οποίου ένα συγκλίνον – αποκλίνον ακροφύσιο παριστούσε την πλάκα – στένωση. Τη θερμική ετερογένεια εξασφάλιζε το θερμαινόμενο κάτω μεταλλικό τοίχωμα του ακροφυσίου. Το εργαζόμενο μέσο που χρησιμοποιήσαμε ήταν διάλυμα νερού – υγρών κρυστάλλων, οι οποίοι έχουν την ιδιότητα να ανακλούν ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος του προσπίπτοντος λευκού φωτός, ανάλογα με την τοπική θερμοκρασία εντός του σωλήνα. Μελετήσαμε, για διαφορετικές περιπτώσεις παροχής και θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ μεταλλικής πλάκας και εργαζόμενου μέσου, την εξέλιξη του φαινομένου της ελεύθερης - εξαναγκασμένης συναγωγής εντός του ακροφυσίου. Για κάθε μία απ΄ αυτές λάβαμε έγχρωμες εικόνες, για διάφορες χρονικές στιγμές, που αντιστοιχούσαν στην επιφάνεια που φώτιζε το προσπίπτον φύλλο φωτός. Από τα στιγμιότυπα αυτά προέκυψαν τα αντίστοιχα θερμοκρασιακά πεδία με τη βοήθεια προγραμμάτων και κυρίως με τη χρήση της καμπύλης βαθμονόμησης των υγρών κρυστάλλων η οποία αντιστοίχιζε το εκάστοτε χρώμα τους σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία. Από τα παραπάνω αντιλαμβανόμαστε ότι η μέθοδος θερμογράφησης που χρησιμοποιήσαμε ήταν μη επεμβατική. Ο σχηματισμός θερμικού οριακού στρώματος στο συγκλίνον τμήμα του ακροφυσίου καθώς και πλουμίου στο διαχύτη ήταν τα δύο σημαντικότερα ροϊκά φαινόμενα στη διαδικασία του πειράματός μας. Αυξανόμενης της παροχής το πάχος του θερμικού οριακού στρώματος μειωνόταν, ενώ το πλούμιο μετατοπιζόταν συνεχώς δεξιότερα και το ύψος του μίκραινε.

Many in vivo and in vitro medical studies have been carried out in order to investigate the correlation of thermal heterogeneity, between atherosclerotic lesion and proximal healthy vessel wall, with the rupture of the plaque and therefore the cause of acute coronary syndromes. Based on the above, an experimental flow study was undertaken in which a human vessel was represented by a horizontal rectangular plexiglas tube with a 57 % stenosis heated from below through a copper surface. The working medium used was a solution of water - liquid encapsulated crystals, which have the capacity to reflect a specific wavelength of the incident white light, depending on the local temperature inside the tube. The phenomenon of natural - forced convection was studied for several flow rates and temperature differences between the copper wall and the flowing medium. Colored images were recorded with a rate of 25 frames per sec and they were transformed to temperature distributions through a calibration curve which related the hue component of the images with the fluid temperature. The characteristics of the thermal boundary layers formed along the heated metallic wall of the stenosis and of a plume in its divergent part were dependent on both the flow rate and the temperature difference between the heated wall and the incoming fluid. Increasing the flow rate, the thickness of the thermal boundary layers is reduced and the plume is shrunk being shifted towards the exit of the stenosis.