Асимптотические модели течения в трубе с податливыми стенками

Автор: Жуков М.Ю., Полякова Н.М.

Журнал: Владикавказский математический журнал @vmj-ru

Статья в выпуске: 2 т.25, 2023 года.

Бесплатный доступ

Для вращательно симметричного безвихревого течения вязкой несжимаемой жидкости в трубе с податливыми стенками (compliant tube) на основе теории мелкой воды (лагранжев подход) построено нелинейное амплитудное уравнение, описывающее поведение конечных возмущений в окрестности волн, распространяющихся вдоль характеристик. Считается, что течение происходит в бесконечной цилиндрической области, имеющей свободную поверхность, на которой выполнены кинематическое и динамические условия с учетом поверхностного натяжения. Характерный размер цилиндрической области в~осевом направлении считается много большим, чем характерный размер в радиальном направлении. Обнаружено, что в случае рассматриваемого безвихревого течения (уравнения Навье - Стокса), уравнения течения не содержат членов, учитывающих вязкость (совпадают с уравнениями идеальной несжимаемой жидкости - уравнениями Эйлера). Влияние вязкости жидкости учитывается лишь за счет динамического краевого условия на границе. Амплитудное уравнение имеет вид уравнения Кортевега-де Вриза - Бюргерса, решение которого достаточно хорошо изучено аналитическими, асимптотическими и численными методами. Вычислены коэффициенты уравнения и, в зависимости от их значений, проведен качественный анализ поведения возмущений. Построенное амплитудное уравнение и возникающие в процессе построения, как главный член асимптотики, квазилинейные гиперболические уравнения, а также уравнения для конечных возмущений, можно использовать для описания течения струи жидкости и/или течения крови в аорте. В принципе, и квазилинейные уравнения, и амплитудное уравнение, и уравнения для конечных возмущений, полученные, как правило, при помощи метода осреднения, известны и широко используются, в частности, для моделирования течения крови. Однако, при конструировании известных моделей при помощи метода осреднения используется большое количество эвристических предположений, зачастую слабо обоснованных. Предлагаемый в представленной работе способ построения моделей математически более корректен и не содержит никаких предположений, кроме сформулированного при постановке задачи требования о безвихревом характере течения и порядке малости параметров (вязкости, поверхностного натяжения). Кроме этого, дано сравнение полученных уравнений с уравнениями метода осреднения и вычислен поправочный коэффициент. С~математической точки зрения, построенные модели течений представляют собой уравнения для определения главного и последующего членов асимптотики.

Еще

Амплитудное уравнение кортевега-де вриза - бюргерса, квазилинейные гиперболические уравнения, безвихревое течение несжимаемой жидкости, асимптотические разложения

Короткий адрес: https://sciup.org/143180466

IDR: 143180466   |   УДК: 517.95,   |   DOI: 10.46698/i3568-6388-7809-u

Asymptotic models of flow in a pipe with compliant walls

For a rotationally symmetric vortex-free flow of a viscous incompressible fluid in a compliant tube based on the shallow water theory (Lagrangian approach), a nonlinear amplitude equation describing the behavior of finite perturbations in the vicinity of waves propagating along the characteristics is constructed. It is assumed that the flow occurs in an infinite cylindrical region having a free surface on which kinematic and dynamic conditions are satisfied, taking into account surface tension. The characteristic size of the cylindrical region in the axial direction is considered to be much larger than the characteristic size in the radial direction. It is found that in the case of the considered vortex-free flow (the Navier-Stokes equations), the flow equations do not contain terms that take into account viscosity (coincide with the equations of an ideal incompressible fluid - Euler equations). The influence of fluid viscosity is taken into account only due to the dynamic boundary condition at the boundary. The amplitude equation has the form of the Korteweg-de Vries--Burgers equation, the solution of which is well studied by analytical, asymptotic and numerical methods. The coefficients of the equation are calculated and, depending on their values, a qualitative analysis of the behavior of perturbations was carried out. The constructed amplitude equation and the quasi-linear hyperbolic equations arising in the process of construction as the main term of the asymptotics, as well as equations for finite perturbations, can be used to describe the flow of a fluid jet and/or blood flow in the aorta. In principle, both quasi-linear equations, and the amplitude equation, and equations for finite perturbations, obtained, as a rule, using the averaging method, are known and widely used, in particular, for modeling blood flow. However, when constructing well-known models using the averaging method, a large number of heuristic assumptions are used, often poorly substantiated. The method of constructing models proposed in the presented paper is mathematically more correct and does not contain any assumptions except for the requirement formulated in the problem statement about the vortex-free nature of the flow and the order of smallness of the parameters (viscosity, surface tension). In addition, a comparison of the obtained equations with the equations of the averaging method is given. From a mathematical point of view, the constructed flow models are equations for determining the main and subsequent terms of the asymptotics.

Еще

Список литературы Асимптотические модели течения в трубе с податливыми стенками

  • Barnard A. C. L., Hunt W. A., Timlake W. P., Varley E. A theory of fluid flow in compliant tubes // Biophysical Journal.-1966.-Vol. 6, № 6.-P. 717-724. DOI: 10.1016/S0006-3495(66)86690-0.
  • Womersley J. R. Oscillatory flow in arteries: the constrained elastic tube as a model of arterial flow and pulse transmission // Phys. Med. Biol.-1957.-Vol. 2, № 2.-P. 178-187. DOI: 10.1088/00319155/2/2/305.
  • Formaggia L., Nobile F., Quarteroni A., Veneziani A. Multiscale modelling of the circulatory system: a preliminary analysis // Computing and Visualization in Science.—1999.—T. 2, № 2.—P. 75-83. DOI: 10.1007/s007910050030.
  • Formaggia L., Lamponi D., Quarteroni A. One-dimensional models for blood flow in arteries // Journal of Engineering Mathematics.-2003.-Vol. 47.-P. 251-276. DOI: 10.1023/B:ENGI. 0000007980.01347.29.
  • Canic S., Li T. Critical thresholds in a quasilinear hyperbolic model of blood flow // Networks and Heterogeneous Media.-2009.-Vol. 4, № 3.-P. 527-536. DOI: 10.3934/nhm.2009.4.527.
  • Canic S. Blood flow through compliant vessels after endovascular repair: wall deformations induced by the discontinuous wall properties // Computing and Visualization in Science.—2002.—Vol. 4.—P. 147— 155. DOI: 10.1007/s007910100066.
  • Mikelic A., Guidoboni G., Canic S. Fluid-structure interaction in a pre-stressed tube with thick elastic walls I: the stationary Stokes problem // Networks and Heterogeneous Media.—2007.—Vol. 2, № 3.— P. 397-423. DOI: 10.3934/nhm.2007.2.397.
  • Acosta S., Puelz C., Reviere R., Penny D. J., Bready K. M., Rusin C. G. Cardiovascular mechanics in the early stages of pulmonary hypertension: a computational study // Biomechanics and Modeling in Mechanobiology.—2017.—Vol. 16.—P. 2093-2112. DOI: 10.1007/s10237-017-0940-4.
  • Fernandez M. A., Milisic V., Quarteroni A. Analysis of a geometrical multiscale blood flow model based on the coupling of ODE's and hyperbolic PDE'S [Research Report] RR-5127 // INRIA.—2004.—29 p.
  • Овсянников Л. В., Макаренко Н. И., Налимов В. И. и др. Нелинейные проблемы теории поверхностных и внутренних волн.—Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1985.—319 с.
  • Карпман В. И. Нелинейные волны в диспергирующих средах.—М.: Наука, 1973.—176 с.
  • Gibbon J. D., McGuinness M. J. Amplitude equations at the critical points of unstable dispersive physical systems // Proceedings of the Royal Society of London. Ser. A, Mathematical and Physical Sciences.—1981.—Vol. 377, № 1769.—P. 185-219. DOI: 10.1098/rspa.1981.0121.
  • Agrawal B., Mohd I. K. Mathematical modeling of blood flow // International Journal of Statistics and Applied Mathematics.—2021.—Vol. 6, № 4.—P. 116-122.
  • Labadin J., A. Ahmadi A. Mathematical modeling of the arterial blood flow // Proceedings of the 2nd IMT-GT Regional Conference on Mathematics, Statistics and Applications.—University Sains Malaysia, Penang, 2006.—P. 222-226.
  • Свиридова Н. В., Власенко В. Д. Моделирование гемодинамических процессов сердечнососудистой системы на основе данных периферической артериальной пульсации // Мат. биология и биоинформатика.—2014.—Т. 9, № 1.—С. 195-205. DOI: 10.17537/2014.9.195.
  • Астраханцева Е. В., Гидаспов В. Ю., Ревизников Д. Л. Математическое моделирование гемодинамики крупных кровеносных сосудов // Мат. моделирование.—2005.—T. 17, № 8.—C. 61-80.
  • Хмель Т. А., Федоров А. В. Моделирование пульсирующих течений в кровеносных капиллярах // Мат. биология и биоинформатика.—2013.—Т. 8, № 1.—С. 1-11. DOI: 10.17537/2013.8.1.
  • Жуков М. Ю., Полякова Н. М., Ширяева Е. В. Квазистационарное турбулентное течение в цилиндрическом канале с неровными стенками // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Физ.-мат. науки.—2020.—№ 1.—C. 4-10. DOI: 10.18522/1026-2237-2020-1-4-10.
  • Волобуев А. Н. Течение жидкости в трубах с эластичными стенками // Успехи физических наук.— 1995.—Т. 165, № 2.—С. 177-186. DOI: 10.3367/UFNr.0165.199502c.0177.
  • Piccioli F., Bertaglia G., Valiani A., Caleffi V. Modeling blood flow in networks of viscoelastic vessels with the 1-D augmented fluid-structure interaction system // J. of Computational Physics.—2022.— Vol. 464.—Article 111364. DOI: 10.1016/j.jcp.2022.111364.
  • Кудряшов Н. А., Синельщиков Д. И., Чернявский И. Л. Нелинейные эволюционные уравнения для описания возмущений в вязко-эластичной трубке // Нелинейная динамика.—2008.—Т. 4, № 1.— C. 69-86. DOI: 10.20537/nd0801004.
  • Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. VI. Гидродинамика / 4-е изд.—М.: Наука, 1986.—736 с.
  • Жуков М. Ю., Ширяева Е. В., Полякова Н. М. Моделирование испарения капли жидкости.— Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2015.—208 c.
  • Самохин А. В. Дементьев Ю. И. Моделирование уединенных волн уравнения КдВ-Бюргерса в диссипативно неоднородных средах // Научный вестн. МГТУ ГА.—2018.—Т. 21, № 2.—C. 114-121. DOI: 10.26467/2079-0619-2018-21-2-114-121.
  • Чернявский И. Л. Математическое моделирование волновых процессов и ауторегуляции при течении крови в сосудах: Тез. дисс____к.ф.-м.н.—М.: РАН МИФИ, 2008.—135 с.
  • Johnson R. S. A non-linear equation incorporating damping and dispersion // Journal of Fluid Mechanics.—1970.—Vol. 42, № 1.—P. 49-60. DOI: 10.1017/S0022112070001064.
  • Кудряшов Н. А. Аналитическая теория нелинейных дифференциальных уравнений.—М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004.—360 с.
  • Багаев С. Н., Захаров В. Н., Орлов В. А. О необходимости винтового движения крови // Российский журнал биомеханики.—2002.—T. 6, № 4.—C. 30-50.
  • Каро К., Педли Т., Шротер Р., Сид У. Механика кровообращения.—М.: Мир, 1981.—624 с.
  • Dinnar U. Cardiovascular Fluid Dynamics.—CRCPress Taylor & Francis Group, 1981.—260 p. DOI: 10.1201/9780429284861.
  • Bessonov N., Sequeira A., Simakov S., Vassilevskii Yu., Volpert V. Methods of blood flow modelling // Math. Model. Nat. Phenom.—2016.—Vol. 11, № 1.—P. 1-25. DOI: 10.1051/mmnp/201611101.
Еще