大動脈モデル流れ場における乱流遷移構造の解明

• 研究課題/領域番号: 13750156
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 流体工学
• 研究機関: 国立循環器病センター(研究所)
• 研究代表者: 中野 厚史 国立循環器病センター研究所, 脈管生理部, 室員 (90217787)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2002
• 研究課題ステータス: 完了 (2002年度)
• 配分額: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円); 2002年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2001年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: 非定常乱流 / 乱流遷移 / 乱流渦カスケード / 振動流 / 間欠流 / 時変スペクトル解析 / 大動脈内血流 / 非定常流れ / 数値シュミレーション / 瞬時スペクトル解析

研究概要

大型哺乳類(ヒトや大型犬など)の大動脈内の血流では、心拍周期毎に乱流が発生・発達・減衰・消滅を繰り返す特異的な乱流遷移が生じていることが知られている。乱流遷移が発生すると流れ場の物理的性質が変化し、動脈壁を構成している血管内皮細胞や血液中の血球成分に対するずり応力の増大、血液中の酸素・二酸化炭素などのガス交換や脂質(コレステロール)等物質の拡散や混合が発生する。病態生理学的にも大動脈内の乱流は、溶血・血栓・粥状動脈硬化等、様々な病変の主因とされている。更に大動脈内の血流の時間変化は単純な正弦波変動でなく、心拍動に伴う周期内に停止期間を持つ間欠的な流れであり、こうした流れ場に発生する乱流の性質を明らかにするため、振動流及び周期的間欠流での実験計測・数値実験・実験データの統計的解析手法の開発を行ってきた。
これまでに開発したアンサンブル平均に基づき乱流遷移を瞬時スペクトルを用い、統計的に実験計測した乱流遷移の解析を行った。その結果乱流渦の伸張が顕著に生じるのは管断面の中央領域であることが判明した。また乱流の消失は壁面近傍から早く生じることも判った。これは壁面の存在のよる粘性の影響のためであると考えられる。管中央領域での消失に着目すると、スペクトル解析上は極僅ながら次の周期にも小さな渦が残存し、これが次の周期の遷移に大きく影響していると考えられる。これは、昨年度報告したように、周期毎にほぼ同位相で遷移が発生するが、僅かな揺らぎが遷移位相には存在している。この管中央部に残存する小さな擾乱が揺らぎの1つの原因となっていると考えられる。さらに詳細な遷移の把握のために数値実験も行ってきたが、現在のところ類似した現象はみられるものの、周期数を増加させると発散してしまい現在までのところその原因が計算機能力や計算条件(2次元メッシュやメッシュサイズ)に起因しているのかは究明できていない。