Flujos tridimensionales de bajo número de Reynolds cerca de capas biológicas de filtrado y protección
Autores: Strickland, Christopher; Miller, Laura; Santhanakrishnan, Arvind; Hamlet, Christina; Battista, Nicholas A.; Pasour, Virginia
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2017
Acceso abierto
Artículo científico
2017
Flujos tridimensionales de bajo número de Reynolds cerca de capas biológicas de filtrado y protección
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Filtrado mesoscale
Capas protectoras
Proteínas extracelulares
Microvellosidades
Cilios
Perfiles de flujo
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
El filtrado a mesoscala y las capas protectoras están presentes en todo el mundo natural. Dentro del cuerpo, arreglos de proteínas extracelulares, microvellosidades y cilios pueden actuar tanto como capas protectoras como mecanosensores. Por ejemplo, los perfiles de flujo sanguíneo a través de la capa superficial endotelial determinan la cantidad de estrés cortante que sienten las células endoteliales y pueden alterar las tasas a las que las moléculas entran y salen de las células. Por lo tanto, caracterizar los perfiles de flujo a través de tales capas es fundamental para entender la función de tales arreglos en la señalización celular y el filtrado molecular. Las capas de filtrado externas también son importantes para muchos animales y plantas. Los tricomas (los pelos o crecimientos finos en las plantas) pueden alterar drásticamente tanto la velocidad media del viento como el perfil cerca de la superficie de la hoja, afectando las tasas de intercambio de nutrientes y calor. En este artículo, se utilizan modelos físicos a escala dinámica para estudiar los perfiles de flujo fuera de arreglos de cilindros que representan tales capas de filtrado y protección. Además, se utilizan simulaciones numéricas mediante el Método de Frontera Sumergida para resolver los flujos tridimensionales dentro de las capas. Los resultados experimentales y computacionales se comparan con resultados analíticos obtenidos al modelar la capa como un medio poroso homogéneo con flujo libre por encima de la capa. Los resultados experimentales muestran que el flujo volumétrico se describe bien mediante modelos analíticos simples. Sin embargo, los resultados numéricos muestran que el flujo promedio espacial dentro de la capa se describe bien mediante el modelo de Brinkman. Sin embargo, los resultados numéricos también demuestran que el flujo puede ser altamente tridimensional, con fluido entrando y saliendo de la capa. Estos efectos no son descritos por el modelo de Brinkman y pueden ser significativos para fracciones de volumen biológicamente relevantes. Los resultados de este artículo pueden utilizarse para entender cómo las variaciones en la densidad y altura de tales estructuras pueden alterar los esfuerzos cortantes y los flujos volumétricos.
Descripción
El filtrado a mesoscala y las capas protectoras están presentes en todo el mundo natural. Dentro del cuerpo, arreglos de proteínas extracelulares, microvellosidades y cilios pueden actuar tanto como capas protectoras como mecanosensores. Por ejemplo, los perfiles de flujo sanguíneo a través de la capa superficial endotelial determinan la cantidad de estrés cortante que sienten las células endoteliales y pueden alterar las tasas a las que las moléculas entran y salen de las células. Por lo tanto, caracterizar los perfiles de flujo a través de tales capas es fundamental para entender la función de tales arreglos en la señalización celular y el filtrado molecular. Las capas de filtrado externas también son importantes para muchos animales y plantas. Los tricomas (los pelos o crecimientos finos en las plantas) pueden alterar drásticamente tanto la velocidad media del viento como el perfil cerca de la superficie de la hoja, afectando las tasas de intercambio de nutrientes y calor. En este artículo, se utilizan modelos físicos a escala dinámica para estudiar los perfiles de flujo fuera de arreglos de cilindros que representan tales capas de filtrado y protección. Además, se utilizan simulaciones numéricas mediante el Método de Frontera Sumergida para resolver los flujos tridimensionales dentro de las capas. Los resultados experimentales y computacionales se comparan con resultados analíticos obtenidos al modelar la capa como un medio poroso homogéneo con flujo libre por encima de la capa. Los resultados experimentales muestran que el flujo volumétrico se describe bien mediante modelos analíticos simples. Sin embargo, los resultados numéricos muestran que el flujo promedio espacial dentro de la capa se describe bien mediante el modelo de Brinkman. Sin embargo, los resultados numéricos también demuestran que el flujo puede ser altamente tridimensional, con fluido entrando y saliendo de la capa. Estos efectos no son descritos por el modelo de Brinkman y pueden ser significativos para fracciones de volumen biológicamente relevantes. Los resultados de este artículo pueden utilizarse para entender cómo las variaciones en la densidad y altura de tales estructuras pueden alterar los esfuerzos cortantes y los flujos volumétricos.