Αριθμητική Προσομοίωση πειραματικών διατάξεων υπερθερμίας in – vitro με νανοσωματίδια:
Creators: name: Γκουτζαμάνης, Αθανάσιος Βασιλείου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: προσομοίωση
Comsol Multiphysics
υπερθερμία
simulation
hyperthermia

description: Η εργασία αυτή έχει ως σκοπό τη δημιουργία υπολογιστικών μοντέλων για τη μελέτη των πειραματικών διατάξεων υπερθερμίας για τη διεξαγωγή πειραμάτων in vitro. Ένα από τα προβλήματα που συναντώνται στο εργαστήριο είναι η θέρμανση του πηνίου που περιβάλλει το διάλυμα, οδηγώντας στη μη επιθυμητή αύξηση της θερμοκρασίας αυτού, με τρόπο που δεν μπορεί να υπολογιστεί, προκειμένου να καταφέρουμε να τον περιορίσουμε. Στην παρούσα εργασία θέλουμε να αξιολογήσουμε το ρόλο της θέρμανσης ή της ψύξης του πηνίου στη μεταβολή της θερμοκρασίας του διαλύματος προτού εισάγουμε τα νανοσωματίδια. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Comsol Multiphysics για τη δημιουργία της αριθμητικής προσομοίωσης που θα υπολόγιζε αυτή τη συνεισφορά. Το πρόγραμμα δίνει τη δυνατότητα να σχεδιάσουμε το μοντέλο και να το επιλύσουμε με τη βοήθεια εξισώσεων μερικών παραγώγων, λύνοντας ταυτόχρονα περισσότερα από ένα προβλήματα. Έτσι, λύνουμε το ηλεκτρικό και το θερμικό πρόβλημα, υπολογίζοντας αντίστοιχα την κατανομή του μαγνητικού πεδίου και της θερμοκρασίας στο χώρο του πηνίου και του διαλύματος. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε για τις δυο υπάρχουσες πειραματικές διατάξεις του εργαστηρίου, μία δύο κυκλικών σπειρών (SPG-06AB-III, 765kHz) και μία οκτώ τετραγωγικών σπειρών (EASY HEAT, 210 kHz), χωρίς να εισάγουμε νανοσωματίδια στο διάλυμα, παρά μόνο με τη φυσιολογική ροή νερού μέσα στο πηνίο. Παρατηρήθηκαν τα φαινόμενα γειτνίασης στο πηνίο, το επιδερμικό φαινόμενο, ενώ συγκρίθηκε η συμπεριφορά των δυο μοντέλων για διαφορετικές τιμές του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας. Τα πειράματα έγιναν για θερμοκρασία νερού 20o-C (περιπτώσεις διεξαγωγής πειραμάτων άνοιξης – καλοκαιριού) και για 13ο-C (περιπτώσεις φθινοπώρου – χειμώνα). Τελικά, στην παρούσα εργασία αποδείξαμε ότι λόγω του πηνίου έχουμε γύρω στο 30% μη επιθυμητή αύξηση της θερμοκρασίας, επομένως είναι επιτακτική ανάγκη η καλύτερη μόνωση της διάταξης. Αποδείξαμε, επίσης, ότι προτιμητέα διάταξη είναι αυτή με τις τετραγωνικές σπείρες, καθώς δημιουργεί μικρότερα σφάλματα στους υπολογισμούς, ενώ αναδείξαμε και τις ιδανικότερες συνθήκες διεξαγωγής των πειραμάτων, οι οποίες αφορούν στη δεύτερη συσκευή, καθώς η διακύμανση των θερμοκρασιών σε αυτή είναι κατά 0.5ο-C μικρότερες σε σχέση με την πρώτη (είτε για θέρμανση είτε για ψύξη). Επίσης, στη δεύτερη διάταξη η κατανομή του μαγνητικού πεδίου είναι περισσότερο ομοιόμορφη, γεγονός που θα οδηγήσει σε καλύτερη μεταφορά ενέργειας από το πεδίο στα νανοσωματίδια. Τέλος, σχεδιάστηκε ένα μοντέλο με δυο τετραγωνικές σπείρες και συγκρίθηκε με αυτό των κυκλικών σπειρών, για την ανάδειξη της συμβολής της γεωμετρίας στη διάταξη. Το αποτέλεσμα ήταν ότι και μόνο η γεωμετρία του πηνίου αρκεί για να οδηγήσει σε μικρότερη θέρμανση του διαλύματος.
description: The present thesis is about the modeling and solving of computational problems for the study of the experimental setup of hyperthermia for in – vitro experiments. One major problem that comes to consideration is the heating of the coil surrounding the solution, leading to the undesirable rise of its temperature. There is no way to counter that rise, so as to limit it down. The present study focuses on trying to evaluate the role of coil’s temperature’s rise and fall to the change of temperature inside the solution, before entering nanoparticles in it. For that purpose, Comsol Multiphysics was used in order to design the numerical simulation so as to determinate temperature’s distribution. This software can easily extend convectional models for one type of physics into multiphysics models that solve coupled physics phenomena simultaneously. So, the electrical and the thermal problem were solved, calculating the magnetic field and the temperature respectively of the coil and the solution. The experiments were repeated for both experimental setups of the laboratory, one consisting of two circular coils (SPG-06AB-III, 765kHz) and one of eight squared coils (EASY HEAT, 210 kHz), without any nanoparticles existing inside the solution but the water flow. Both the proximity and the skin effect inside the coil were described. Moreover, the behavior of the two different setups was compared for different values of the heat transfer coefficient. The experiments were carried out for water temperature 20o-C (experiments taking place on spring – summer) and for water temperature 13o-C (experiments on autumn – winter). It is shown that there is an undesirable rise in the temperature of the solution at around 30% because of the coil, underlining the urgency for better insulation of the set up. It was proved that the squared coil set up causes less computational errors, while the best experimental conditions are about the second set up; the temperature range is 0.5ο-C less, comparing to the first one (for either heating or cooling). Furthermore, the magnetic field distribution in the second set up is more uniform than the first one, leading to a better heat transfer to nanoparticles. Finally, a model consisting of two square coils was designed and was compared to the one with the circular coils, emphasizing the contribution of geometry to the set up. The result was that the geometry only itself was enough for less heat transfer to the solution.