تعیین ضریب انتقال‌ حرارت همرفتی در سوراخکاری استخوان فمور انسان در حضور نرمال‌سالین و بررسی پارامترهای موثر درآن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

چکیده

این تحقیق به تحلیل سوراخکاری در استخوان فمور انسان برای تعیین ضریب انتقال حرارت جابجایی و بررسی بروز نکروز حرارتی پرداخته است. شبیه‌سازی سه‌بعدی سوراخکاری در حالت جابجایی طبیعی با هوا و جابجایی اجباری با نرمال‌سالین برای سه نرخ پیشروی 50، 100 و 150 میلیمتر بر دقیقه در سه سرعت دورانی500، 1000 و 2000 دور بر دقیقه انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد که در حالت خنک‌کاری طبیعی، بیشترین حرارت تولیدی 4 ژول در نرخ پیشروی50 میلیمتر بر دقیقه و سرعت دورانی 500 دور بر دقیقه و کمترین مقدار آن 1/65 ژول در نرخ پیشروی 150 میلیمتر بر دقیقه و سرعت دورانی 2000 دور بر دقیقه است. حداکثر اختلاف ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین در مقایسه با نتایج تجربی %12/5 است که نشان از دقت خوب نتایج حاضر دارد. همچنین نتایج نشان می‌دهد که ضریب انتقال حرارت جابجایی میانگین در نرخ‌های پیشروی 100 و 150 میلیمتر بر دقیقه به ترتیب ٪55 و ٪29/1 بیشتر و در 50 میلیمتر بر دقیقه ٪5 کمتر از مقدار 20 وات بر مترمربع کلوین است که در تحقیقات قبلی ثابت در نظر گرفته شده است. همچنین در تمامی شرایط خنک‌کاری طبیعی نکروز حرارتی بروز می‌دهد. در خنک‌کاری اجباری بیشترین ضریب انتقال حرارت میانگین در نرخ پیشروی 150 میلیمتر بر دقیقه در سرعت دورانی2000 دور بر دقیقه برابر با 3650 وات بر مترمربع کلوین بدست آمده و در تمامی شرایط این حالت دمای استخوان از دمایی که باعث نکروز حرارتی ‌شود، کمتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Determination of convective heat transfer coefficient in human femur bone drilling in the presence of normal saline and evaluation of effective parameters

نویسندگان [English]

  • Shirzad Sadri
  • Jalal Ghasemi
Mechanical Engineering Group/ Department of Engineering/University of Zanjan/Zanjan/Iran
چکیده [English]

This research has analyzed the drilling process in the human femur bone to determine the heat transfer coefficient and occurrence or non-occurrence of thermal necrosis. 3D drilling simulation has carried out naturally with air and force convection with normal-saline and the analysis was performed for three feed rates of 50, 100, and 150 millimeters per minute(mm/min) at speeds of 500, 1000, and 2000 rotation per minute(rpm). The results show that in natural cooling, the highest generated heat is equal to 4 Joule at 50mm/min and 500rpm while the lowest value of generated heat is 1.65 Joule at 150mm/min and 2000rpm. The maximum difference of the average heat transfer coefficient with the experimental results is 12.5%, which represents a good accuracy of the present results. The results also show that the average heat transfer coefficient at 100 and 150mm/min is 55% and 29.1% more, respectively, and it is 5% less at 50mm/min compared to the constant value of 20  w/ m2 k, which is considered in the previous researches. Also, thermal necrosis occurs under all conditions of natural cooling. In  forced cooling, the highest average heat transfer coefficient with normal-saline is 150mm/min at a speed of 2000rpm, which is equal to 3650 w/ m2 k, and in all conditions, the bone temperature has not exceeded the temperature limit of thermal necrosis.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bone drilling
  • femur bone
  • normal-saline coolant
  • thermal necrosis
  • cortical bone

مراجع

[1] W. Allan, E. D. Williams,C. J. Kerawala, Effects of repeated drill use on temperature of bone during preparation for osteosynthesis self-tapping screws, British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery, 43(4) (2005) 314-319.
[2] M. F. A. Akhbar, A. W.  Sulong, Surgical Drill Bit Design and Thermomechanical Damage in Bone Drilling. A Review, Annals of Biomedical Engineering, 49 (2021) 29-56.
[3] M.T. Hillery, I. Shuaib, Temperature effects in the drilling of human and bovine bone, Journal of Materials Processing Technology, 92 (1999) 302-308.
[4] K. Alam, M. Khan, V.V. Silberschmidt, 3D finite-element modelling of drilling cortical bone. Temperature analysis, J Med Biol Eng, 34(6) (2014) 618-623.
[5] R.K. Pandey, S. Panda, Drilling of bone. A comprehensive review, Journal of clinical orthopaedics and trauma, 4(1) (2013) 15-30.
[6] R.K. Pandey, S.S. Panda, Optimization of multiple quality characteristics in bone drilling using grey relational analysis, Journal of orthopaedics, 12(1) (2015) 39-45.
[7] B. C. Sener, G. Degrin, B.Gursoy, E.Kelesoglu, I. Slih, Effects of irrigation temperature on heat control in vitro at different drilling depths, Clinical Oral Implants Research, 20(3) (2009) 294-298.
[8] E. Shakouri, M. Maerefat, Theoretical and Experimental Investigation of Heat Generation in Bone Drilling. Determination of the Share of Heat Input to the Bone Using Machining Theory and Inverse Conduction Heat Transfer, Modares Mechanical Engineering, 17(7) (2017) 131-140, in Persian.
[9] M. R. Effatparvar, N. Jamshidi, A. Mosavar, Appraising efficiency of OpSite as coolant in drilling of bone, Journal of Orthopaedic Surgery and Research, 15(197) (2020) 1-5.
[10] F. Karaca, B. Aksakal, M. Kom, Influence of orthopaedic drilling parameters on temperature and histopathology of bovine tibia. an in vitro study, Medical engineering & physics, 33(10) (2011) 1221-1227.
[11] E. Oezkaya, D. Biermann, A new reverse engineering method to combine FEM and CFD simulation three-dimensional insight into the chipping zone during the drilling of Inconel 718 with internal cooling, Machining Science and Technology, 6(22) (2018) 881-898.
[12] L. Davidson, Fluid mechanics, turbulent flow and turbulence modeling, Chalmers University of Technology, G¨oteborg, Sweden, (2023).
[13] M. Bahari, K. Hejazi, Investigation of Buoyant Parameters of k-ε Turbulence Model in Gravity Stratified Flows,  International Journal of Physical and Mathematical Sciences, 55 (2009) 537-544.
[14] F. Incropera, D. Dewitt, T. Bergman, A. S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, Inc., 7th Edition, (2011).
[15] S. C. Chung, Temperature estimation in drilling processes by using an observer. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 45(15) (2005) 1641-1651.
[16] G. R. Johnson, A constitutive model and data for materials subjected to large strains, high strain rates, and high temperatures, Proc. 7th Inf. Sympo. Ballistics, (1983) 541-547.
[17] C. Santiuste, M. Rodríguez -Millán, E. Giner, H. Miguélez, The influence of anisotropy in numerical modeling of orthogonal cutting of cortical bone, Composite Structures, 116 (2014) 423-431.
[18] A. Moulgada, Z. Mohammed El Sallah, A. Benouis, S. Benbarek, Modelling of the Femural Fracture Under Dynamic Loading, Journal of the Serbian Society for Computational Mechanics, 12(1) (2018) 96-107.
[19] M. Mediouni, D. R. Schlatterer, A. Khoury, T. Von Bergen, S. H. Shetty, M. Arora, A. Dhond, N. Vaughan, A. Volosnikovet, Optimal parameters to avoid thermal necrosis during bone drilling. a finite element analysis, Journal of Orthopaedic Research, 35(11) (2017) 2386-2391.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 55، شماره 5
مرداد 1402
صفحه 557-576

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار