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Feb 13, 2024

Análisis de entropía para un nuevo flujo peristáltico en un endoscopio curvo calentado: una aplicación de las ciencias aplicadas

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 1504 (2023) Citar este artículo 646 Accesos Detalles de métricas Se realiza interpretación de entropía con un análisis descriptivo de generación de calor para el

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 1504 (2023) Citar este artículo

646 Accesos

Detalles de métricas

Para el flujo calentado entre dos tubos curvados homocéntricos y de fluctuación sinusoidal se realiza una interpretación de entropía con un análisis descriptivo de la generación de calor. Se considera por primera vez un novedoso endoscopio peristáltico dentro de un tubo curvo con evaluación de la transferencia de calor y la entropía. Este endoscopio flexible y novedoso con locomoción peristáltica es más eficiente para la endoscopia de estructuras mecánicas complejas y es más cómodo para los pacientes sometidos a la endoscopia de órganos humanos. Se desarrolla un modelo matemático integral que también evalúa completamente el análisis de transferencia de calor para este novedoso endoscopio. Se realizan cálculos determinados y sistemáticos con la ayuda del software Mathematica y se obtienen soluciones matemáticas y gráficas exactas. La entropía tiene una tasa más baja que es casi cero entropía en la región central de estos dos tubos curvos, pero la entropía máxima se observa cerca de las paredes sinusoidalmente deformables tanto del endoscopio como del canal.

Los endoscopios son importantes debido a su inmensa cantidad de aplicaciones médicas e industriales. Las estructuras complejas de distintas grandes maquinarias, como grandes motores de cruceros, aviones, diversos aparatos de ingeniería y endoscopia de órganos humanos, son las principales aplicaciones. Mangan et al.1 desarrollaron un endoscopio novedoso, que es básicamente un endoscopio locomotor que puede girar a través de bordes afilados y estructuras curvas complejas, etc. Esto se conoce como endoscopio peristáltico. La locomoción peristáltica de este eficiente endoscopio ha supuesto un enorme avance en el campo de la endoscopia con un mayor número de aplicaciones médicas y de ingeniería. Misiery et al.2 habían divulgado el estudio teórico del movimiento peristáltico dentro de un tubo con la inserción de un endoscopio. Tripathi3 había interpretado el estudio numérico de un flujo no newtoniano dentro de un tubo con aplicaciones detalladas y completas de la endoscopia. Además, se dan algunas referencias recientes y relevantes que evalúan el flujo peristáltico con aplicaciones endoscópicas4,5,6,7,8,9,10.

Muchos investigadores recientes también evalúan el análisis de la generación de calor con flujo peristáltico y aplicaciones endoscópicas. Mekheimer11 había proporcionado el estudio de la transferencia de calor de un flujo newtoniano dentro de un anillo con aplicaciones de un endoscopio. Nadeem et al.12 habían interpretado numéricamente las características importantes de la transferencia de calor para un endoscopio. Irshad et al.13 habían modelado matemáticamente la transferencia de calor para el flujo peristáltico dentro de un canal curvo con aplicaciones endoscópicas. Shahzadi et al.14 habían divulgado el análisis matemático de la transferencia de calor dentro de un anillo curvo con aplicaciones endoscópicas. La generación de entropía también es importante en muchas de las aplicaciones endoscópicas. El análisis de entropía también indica claramente cuánto desorden o perturbación es causado por el endoscopio en movimiento, ya sea endoscopia de órganos humanos o estructuras mecánicas complejas, etc. Narla et al.15 habían proporcionado un modelo detallado que interpreta la entropía con la transferencia de calor. Análisis del flujo peristáltico dentro de un canal curvo. Además, los artículos de investigación relevantes que brindan la interpretación teórica de la transferencia de calor y la generación de entropía para el flujo dentro de un tubo curvo se denominan 16,17,18,19,20,21,22,23.

Este trabajo de investigación divulga un estudio matemático de la interpretación de la entropía con generación de calor para un novedoso endoscopio peristáltico. Hemos considerado un flujo newtoniano calentado entre estos dos tubos curvados que fluctúan sinusoidalmente y que tienen el mismo centro. La pared interior de este endoscopio peristáltico se deforma de forma sinusoidal y la pared exterior de este tubo que tiene este endoscopio también se deforma de forma sinusoidal. Este es un trabajo de extensión del estudio proporcionado en 24 con transferencia de calor y una interpretación exhaustiva de la entropía. Las ecuaciones que interpretan este problema se evalúan con la ayuda del software Mathematica y hemos utilizado soluciones exactas para temperatura, entropía, velocidad y gradiente de presión, etc. También se presentan las soluciones gráficas que están en completa armonía con los cálculos matemáticos.

Se considera un flujo newtoniano viscoso y calentado entre dos tubos curvados homocéntricos que fluctúan sinusoidalmente. El tubo curvo interno es un endoscopio peristáltico novedoso, y el modelo geométrico se muestra en la Fig. 1 de la siguiente manera

Modelo geométrico del problema.

La pared externa que fluctúa sinusoidalmente del tubo curvo, así como la pared interna que fluctúa sinusoidalmente del nuevo endoscopio peristáltico, se consideran matemáticamente mediante las siguientes ecuaciones dadas como 15,16,17,24

donde \("n"\) tiene un rango entre 0 y 1.

La representación dimensional de ecuaciones matemáticas se narra a continuación15,16,17,24

Las ecuaciones matemáticas que conectan principalmente los dos sistemas de referencia separados se narran como

Los términos adimensionales que han aparecido durante la simplificación de las ecuaciones matemáticas anteriores a forma adimensional se dan como

La forma adimensional y eventual simplificada de las ecuaciones matemáticas anteriores después de utilizar la aproximación teórica de λ \(\to \infty\) se proporciona como

Las condiciones de contorno pertinentes son

La forma dimensional del análisis de entropía se considera de la siguiente manera.

Después de utilizar las transformaciones dadas y las cantidades adimensionales, utilizamos la siguiente forma de entropía más simple y adimensional que se narra como

El valor del número de Bejan se calcula como

Después de insertar los valores pertinentes en la Ec. (15), tenemos

La solución de velocidad se calcula resolviendo la ecuación. (9) con la ecuación. (11) y dado como

Además, la tasa de flujo volumétrico se define como

El gradiente de presión se calcula a partir de la ecuación. (18) y narrado como

Además, \(Q=F+2\) y el aumento de presión se calcula numéricamente como

La temperatura de la solución se calcula evaluando la ecuación. (10) con la ecuación. (12) y narrado como

Las soluciones exactas para este problema se obtienen utilizando el software Mathematica. Los perfiles de solución exactos de velocidad y temperatura satisfacen exactamente las ecuaciones formuladas y las condiciones de contorno para este problema. Los resultados gráficos proporcionados en este estudio también muestran conformidad con el problema y las condiciones formuladas. Los resultados gráficos también muestran la validación con trabajos ya publicados dados en24.

La ilustración gráfica de la solución exacta anterior, así como la sección de entropía, se presentan para verificar los cálculos matemáticos. Las soluciones gráficas presentadas aquí verifican claramente que las condiciones de contorno y el perfil de flujo están de acuerdo con las ecuaciones matemáticas. El perfil de velocidad del problema actual se presenta gráficamente en la Fig. 2. La Figura 2a muestra que la velocidad disminuye al aumentar el valor de \(Q.\). Además, se muestra un perfil completamente evolucionado y parabólico que representa el flujo máximo en la región central de estos Se observan dos tubos curvos que fluctúan de forma sinusoidal y una disminución del perfil de flujo hacia los límites. La Figura 2b revela el efecto del aumento del valor de \(s\) en el perfil de flujo. El aumento en el valor del parámetro de curvatura tiene un efecto opuesto sobre el perfil de flujo en dos paredes extremas diferentes (es decir, pared endoscópica y pared del canal). Dado que la velocidad disminuye con la pared endoscópica interna, el perfil de flujo se altera cerca de la región central de estos dos tubos curvos y la velocidad comienza a aumentar cerca de la pared exterior de este canal curvo para aumentar el valor de \(s\). Las soluciones gráficas de temperatura del presente problema se presentan en la Fig. 3. El gráfico de temperatura para el aumento de \({B}_{r}\) se presenta en la Fig. 3a. Se observa un aumento directo en la temperatura del fluido al aumentar \({B}_{r}\). Implica que los efectos viscosos son la razón principal para la producción de calor en este caso. La Figura 3b muestra que la temperatura es una función decreciente de \(Q\). Dado que se observa una disminución en la generación de calor al aumentar los valores de \(Q\). Los efectos del parámetro de curvatura \(s\) en el perfil de temperatura se dan en la Fig. 3c. La generación de calor aumenta dentro del fluido a medida que aumenta \(s\). La solución gráfica del gradiente de presión \(\frac{dp}{dz}\) se traza y se proporciona en la Fig. 4. La Figura 4a muestra el resultado gráfico de \(\frac{dp}{dz}\) para aumentar \(Q \). Revela que el valor de \(\frac{dp}{dz}\) aumenta al incrementar \(Q\). El valor de \(\frac{dp}{dz}\) también aumenta al aumentar el valor del parámetro de curvatura \(s\), como se revela en la Fig. 4b. Las Figuras 5a, b proporcionan la solución gráfica de \(\Delta P\) frente a \(Q\). Se observa una disminución en el valor de \(\Delta P\) al aumentar \(\phi\), como se muestra en la Fig. 5a. La Figura 5b muestra un aumento en el valor de \(\Delta P\) al aumentar el valor de \(s\). Las soluciones gráficas de entropía \(S\) frente a \(r\) se presentan en las figuras 6a, b. La Figura 6a muestra un aumento en la entropía total del sistema con un valor creciente de \({B}_{r}\). Dado que el aumento en el valor de \({B}_{r}\) eventualmente resulta en un aumento de efectos viscosos que también aumenta la generación de calor dentro del sistema y finalmente mejora la entropía. La Figura 6b muestra los efectos de \(Q\) sobre la entropía \(S\). A medida que aumenta el valor de \(Q\), hemos observado un perfil de entropía decreciente \(S\). La entropía es mínima en la región central de estos dos tubos curvos, pero su valor aumenta cerca de las paredes de estos dos tubos. El valor mínimo de entropía en el centro se debe a un perfil completamente evolucionado en el centro y no hay perturbación con el flujo en el centro, pero las paredes sinusoidales que se deforman tanto del endoscopio peristáltico como de la pared sinusoidal del tubo exterior son la razón detrás de esto. aumento de entropía cerca de los límites. Las Figuras 7a, b se representan para analizar también el efecto de diferentes parámetros en el número de Bejan. La Figura 7a muestra que \({B}_{e}\) aumenta al aumentar el valor de \({B}_{r}\). La Figura 7b también muestra un incremento en el valor de \({B}_{e}\) para aumentar \(Q\). El gráfico simplificado se presenta para el valor creciente de \(Q\), como se muestra en las figuras 8a, b. Se observa un incremento en el tamaño del atrapamiento cerca de la pared sinusoidal externa del tubo curvo, pero al mismo tiempo el tamaño del atrapamiento disminuye cerca de la pared sinusoidal interna del endoscopio peristáltico para valores crecientes de \(Q\). Las Figuras 9a, b presentan el gráfico aerodinámico para el valor creciente del parámetro de curvatura \(s\). El número de bolos atrapados disminuye cerca de la pared sinusoidal exterior, pero el tamaño del bolo atrapado aumenta con el incremento de \(s\). El número de bolos atrapados aumenta, pero su tamaño disminuye cerca de la pared interna del endoscopio peristáltico al aumentar \(s\).

(a) Gráfica de velocidad para \(Q\). (b) Gráfica de velocidad para \(s\).

(a) Gráfica de temperatura para \({B}_{r}\). (b) Gráfica de temperatura para \(Q\). (c) Gráfica de temperatura para \(s\).

(a) \(\frac{dp}{dz}\) gráfica para \(Q\). (b) \(\frac{dp}{dz}\) gráfica para \(s\).

(a) Representación gráfica de \(\Delta P\) frente a \(Q\) para \(\phi\). (b) Representación gráfica de \(\Delta P\) frente a \(Q\) para \(s\).

(a) \(S\) contra \(r\) para \({B}_{r}\). (b) \(S\) contra \(r\) para \(Q\).

(a) \({B}_{e}\) contra \(r\) para \({B}_{r}\). (b) \({B}_{e}\) contra \(r\) para \(Q\).

(a) Gráfico simplificado para \(Q=0,01\). (b) Gráfico simplificado para \(Q=0,03\).

(a) Gráfico simplificado para \(s=0,01\). (b) Gráfico simplificado para \(s=0,03\).

La generación de entropía con evaluación combinada de la transferencia de calor se lleva a cabo para un nuevo endoscopio peristáltico colocado dentro de un tubo curvo que tiene paredes deformables sinusoidalmente. Este es un tema nuevo y avanzado relacionado con las aplicaciones endoscópicas y ciertamente se convertirá en un problema de investigación de referencia para futuros trabajos de investigación interesantes al respecto. Algunos de los principales resultados de este análisis se dan como

Entre estos dos tubos homocéntricos que oscilan sinusoidalmente se observa un perfil de flujo parabólico y completamente evolucionado.

Este novedoso endoscopio peristáltico es más beneficioso en la endoscopia de órganos humanos debido a su flexibilidad y locomoción peristáltica.

Muchas de las complejas estructuras de ingeniería y grandes maquinarias requieren endoscopios peristálticos para su mantenimiento, ya que estos endoscopios peristálticos pueden moverse fácilmente dentro de sus estructuras para detectar el problema.

La entropía es casi nula en la región central de estos dos tubos curvos (es decir, entre este endoscopio peristáltico y la pared exterior del canal curvo).

La entropía comienza a aumentar hacia las paredes del endoscopio peristáltico y el canal curvo exterior. Finalmente, llega a ser máximo cerca de estas paredes.

Los autores afirman que todos los archivos se proporcionan en el artículo, no se requiere ningún archivo oculto; sin embargo, si la revista requiere más datos de nuestra parte, los proporcionaremos y el autor correspondiente es responsable de proporcionárselos a la revista.

Radio del modelo geométrico curvo.

Velocidad de onda

Longitud de onda

Parámetro de curvatura

relación de amplitud

Radio adimensional del tubo interior

Radio adimensional del tubo exterior.

Forma dimensional del campo de velocidad.

Conductividad térmica

Número de Brinkman

número de bejan

Radio medio del tubo curvado

Sistema de coordenadas curvilíneo

Viscosidad dinámica

Amplitud de onda peristáltica

Número de onda en forma adimensional.

Radio dimensional del tubo interior

Radio dimensional del tubo exterior

Forma adimensional de campo de velocidad

Capacidad calorífica

Entropía adimensional

Relación de temperatura adimensional

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Descargar referencias

Los autores (S. Nadeem, Salman Akhtar y Shahah Almutairi) agradecen la aprobación y el apoyo de este estudio de investigación mediante la subvención número SCIA-2022-11-1748 del Decanato de investigación científica de la Northern Border University, Arar, Reino de Arabia Saudita.

Departamento de Matemáticas, Universidad Quaid-i-Azam 45320, Islamabad, 44000, Pakistán

Sohail Nadeem y Salman Akhtar

Departamento de Matemáticas, Universidad de Wenzhou, Wenzhou, 325035, China

Nadeem Sohail

Departamento de Anatomía, Facultad de Odontología, SZABMU, Islamabad, Pakistán

Anber Saleem

Departamento de Matemáticas, Universidad Quaid-i-Azam, 62000, Islamabad, Pakistán

Nevzat Akkurt

Departamento de Matemáticas, Facultad de Ciencias, Universidad de la Frontera Norte, Arar, 1321, Arabia Saudita

Shahah Almutairi

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Jazan, PO box 45124, Jazan, Reino de Arabia Saudita

Hassan Ali Ghazwani

Centro de Investigación, Facultad de Ingeniería, Universidad del Futuro en Egipto, Nuevo Cairo, 11835, Egipto

Sayed M. Eldin

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Conceptualización. La idea del presente artículo fue dada por el Prof. SN y ha publicado muchos artículos en este campo. Curación de datos. Los datos de este artículo han sido calculados teóricamente por SA es un Ph.D. Estudiante que trabaja bajo la supervisión de SN Análisis formal, la parte del análisis de este documento ha sido realizada por NA, SA y AS Adquisición de fondos, siendo Jefe de la Sección Prof. Dr. SN junto con SME se harán cargo de toda la investigación de los fondos, la parte de la investigación principal La metodología fue realizada por Salman y el Prof. SN, las soluciones propuestas por el Prof. SN y los cálculos formales fueron realizados por Hasan Ghazwani con la administración del proyecto de SA. La parte administrativa fue realizada por el Prof. SN, NA y SME. Recursos, esta sección ha sido proporcionada por SME, HG y Prof. SN Software. Esta parte ha sido realizada por SA con la guía de SA Supervision, el supervisor es Prof. Dr. SN Validation. Esta parte ha sido realizada por SA Visualization SA. Redacción—borrador original, SA Redacción—edición de revisión: Todos los autores del artículo. Declaraciones de disponibilidad de datos y materiales: el autor correspondiente es responsable de proporcionar datos cuando sea necesario, no hay datos ocultos, todo se proporciona en el artículo.

Correspondencia a Sohail Nadeem.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Nadeem, S., Akhtar, S., Saleem, A. et al. Análisis de entropía para un nuevo flujo peristáltico en un endoscopio curvo calentado: una aplicación de las ciencias aplicadas. Informe científico 13, 1504 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28047-8

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Recibido: 19 de septiembre de 2022

Aceptado: 11 de enero de 2023

Publicado: 27 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28047-8

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