Multi-fluid Euler-Euler model of the blood flow within the blood vessel with rigid walls

• Autorzy: Gracka Maria

Warianty tytułu

PL

Wielofazowy model przepływu krwi w naczyniu krwionośnym ze sztywnymi ścianami w podejściu Euler-Euler

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The cardiovascular diseases and disorders such as atherosclerosis, strokes and heart attacks are the leading causes of death in the world mainly in the developed and industrialized societies. Understanding of basic mechanisms and phenomena occurring in the cardiovascular system could be useful in early detection of the development of lesions in blood vessels. In the presented work numerical analysis of blood flow within aorta has been made. Analysis included two models: single- and multi-phase approaches. In first blood was treated as a homogenous, non-Newtonian fluid with averaged rheological properties of viscosity and density. Second model uses an Eulerian multiphase approach in model of blood flow which assumes blood as a mixture of three phases (plasma, erythrocytes and leukocytes). To develop numerical model of blood flow within the human blood vessel the commercial software ANSYS Fluent (ANSYS Inc., USA) has been used. In the project the geometry of 8-year old patient with moderate thoracic aortic coarctation (approximately 65% area reduction) has been used. The geometry was created from data generated during Gadolinium-enhanced MR angiography (MRA). Model of the geometry includes ascending aorta, arch, descending aorta und upper branches such as innominate artery, left common artery, left subclavian artery. To reproduce periodic cardiac cycle as an inlet boundary condition velocity profile was used. Velocity profile was calculated from the conversion of the volumetric flow that was measured by a phase-contrast (PC) MRI sequence with through-plane velocity encoding. As the outlet boundary conditions for all branches and descending aorta the outflow condition was used. Volumetric share of blood flow through various outflows of the aortic model was measured via PC-MRI. Results of numerical simulation are presented for two characteristic points (during systole and diastole) of the cardiac cycle.

PL

Choroby oraz zaburzenia układu krążenia, takie jak miażdżyca tętnic, udary i zawały serca są główną przyczyną zgonów na świecie, w szczególności w rozwiniętych i uprzemysłowionych społeczeństwach. Zrozumienie podstawowych mechanizmów i zjawisk występujących w układzie sercowo-naczyniowym może być przydatne do wczesnego wykrycia i diagnozy rozwijających się zmian w naczyniach krwionośnych. W prezentowanej pracy przeprowadzono analizę numeryczną przepływu krwi w aorcie. Wykonano dwa modele numeryczne pierwszy model traktujący krew jako jednorodną ciecz nienewtonowską z reologicznymi właściwościami średnimi dla lepkości i gęstości składników. Drugi model obejmuje analizę przepływu krwi będącej mieszaniną trzech faz (osocza, czerwonych krwinek oraz białych krwinek). Symulacje przeprowadzono przy użyciu komercyjnego oprogramowania ANSYS Fluent (ANSYS Inc., USA). W projekcie wykorzystano geometrię aorty 8-letniej pacjentki z koarktacją za łukiem aorty (zwężenie ok. 65%) wygenerowaną ze skanu wykonanego podczas wzmocnionej angiografii (MRA). Model obejmuje aortę wstępującą, łuk aorty, aortę zstępującą oraz górne odgałęzienia naczyń (pień ramiennogłowowy, tętnicę szyjną wspólną oraz podobojczykową lewą). W celu odwzorowania cyklu pracy serca na wlocie do aorty jako warunek brzegowy przyjęto profil prędkości przeliczony z przepływu objętościowego krwi, który zmierzono w trakcie badania kontrastem fazowym. Warunek zaimplementowano wykorzystując tzw. procedury własne (UDF - User Defined Function). Jako warunek brzegowy na wylotach przyjęto wypływy przez odgałęzienia oraz aortę zstępującą, których wartość wyrażona jest udziałem procentowym ze strumienia krwi na wlocie do aorty wstępującej. Wyniki symulacji numerycznej przedstawiono dla dwóch punktów charakterystycznych podczas skurczu i rozkurczu serca.

Słowa kluczowe

EN

CFD; Euler-Euler model; multi-fluid; blood flow; aorta

PL

CFD; model Euler-Euler; przepływ wielofazowy; aorta; przepływ krwi

• Wydawca: Instytut Techniki Cieplnej, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska
• Czasopismo: Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 1
• Strony: 29--51
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Gracka Maria

Bibliografia

• [1] Anderson J., Computational fluid dynamics. The basics with applications McGrawHill, New York (1995)
• [2] Ergun S. Fluid Flow through Packed Columns, Chemical Engineering Progress (1952) 48(2):89–94
• [3] Gidaspow. D., Flow and Fluidization, Academic Press, Boston, MA., Reaction Engineering International (1994)
• [4] Gidaspow D., Bezburuah R. and Ding J., Hydrodynamics of Circulating Fluidized Beds, Kinetic Theory Approach, In: Fluidization VII, Proceedings of the 7th Engineering Foundation Conference on Fluidization, 75–82 (1992).
• [5] Huang J., Lyczkowski R. W., Gidaspow D., Pulsatile flow in a coronary artery using multiphase kinetic theory, Journal of Biomechanics (2009) 42: 743-754
• [6] Kenner T., The measurement of blood density and its meaning, Basic Research in Cardiology (1989) 84:111-124
• [7] Launder B. E. and Spalding D. B., Lectures in Mathematical Models of Turbulence. Academic Press, London, England (1972)
• [8] Laurent F., Massot M., Villedieu P., Eulerian multi-fluid modeling for the numerical simulation of coalescence in polydisperse dense liquid sprays, Journal of Computational Physics, (2004) 197:505-543.
• [9] Liu B., Tang D., Influence of non-Newtonian Properties of Blood on the Wall Shear Stress in Human Atherosclerotic Right Coronary Arteries, Mol Cell Biomech (2011) 8(1):73-90, doi: 10.3970/mcb, 2011
• [10] Lun C. K. K., Savage S. B., Jeffrey D. J., Chepurniy N., Kinetic Theories for Granular Flow: In elastic Particles in Couette Flow and Slightly Inelastic Particles in a General Flow Field, J. Fluid Mech.(1984) 140:223–256
• [11] Siebert M. W., Fodor P. S., Newtonian and Non-Newtonian Blood Flow over a Backward-Facing Step - A Case Study, COMSOL Conference, Boston (2009)
• [12] Stergiopulos N., Computer simulation of arterial blood flow. Retrospective Theses and Dissertations. Paper 9896, 1990
• [13] Syamlal M The Particle-Particle Drag Term in a Multiparticle Model of Fluidization National Technical Information Service, Springfield (1987)
• [14] Tu J., Yeoh G.H., Liu Ch., Computational Fluid Dynamics, A Practical Approach, Elsevier (2008)
• [15] Wen C.-Y. and Yu Y. H., Mechanics of Fluidization, Chemical Engineering Progress Symposium Series 62:100-111(1966)
• [16] ANSYS Academic Research, Release 17.0, Help System, UDF Manual, ANSYS, Inc.
• [17] CFD Challenge problem: http://www.vascularmodel.org/miccai2012 (accessed May 16th 2016)

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).