Fluidodinamica biomedica computazionale del flusso sanguigno in presenza di affezioni strumentali e/o patologiche

La tesi di Dottorato studia il flusso sanguigno tramite un codice agli elementi finiti (COMSOL Multiphysics). Nell’arteria è presente un catetere Doppler (in posizione concentrica o decentrata rispetto all’asse di simmetria) o di stenosi di varia forma ed estensione. Le arterie sono solidi cilindrici rigidi, elastici o iperelastici. Le arterie hanno diametri di 6 mm, 5 mm, 4 mm e 2 mm. Il flusso ematico è in regime laminare stazionario e transitorio, ed il sangue è un fluido non-Newtoniano di Casson, modificato secondo la formulazione di Gonzales & Moraga. Le analisi numeriche sono realizzate in domini tridimensionali e bidimensionali, in quest’ultimo caso analizzando l’interazione fluido-strutturale. Nei casi tridimensionali, le arterie (simulazioni fluidodinamiche) sono infinitamente rigide: ricavato il campo di pressione si procede quindi all’analisi strutturale, per determinare le variazioni di sezione e la permanenza del disturbo sul flusso. La portata sanguigna è determinata nei casi tridimensionali con catetere individuando tre valori (massimo, minimo e medio); mentre per i casi 2D e tridimensionali con arterie stenotiche la legge di pressione riproduce l’impulso ematico. La mesh è triangolare (2D) o tetraedrica (3D), infittita alla parete ed a valle dell’ostacolo, per catturare le ricircolazioni. Alla tesi sono allegate due appendici, che studiano con codici CFD la trasmissione del calore in microcanali e l’ evaporazione di gocce d’acqua in sistemi non confinati. La fluidodinamica nei microcanali è analoga all’emodinamica nei capillari. Il metodo Euleriano-Lagrangiano (simulazioni dell’evaporazione) schematizza la natura mista del sangue. La parte inerente ai microcanali analizza il transitorio a seguito dell’applicazione di un flusso termico variabile nel tempo, variando velocità in ingresso e dimensioni del microcanale. L’indagine sull’evaporazione di gocce è un’analisi parametrica in 3D, che esamina il peso del singolo parametro (temperatura esterna, diametro iniziale, umidità relativa, velocità iniziale, coefficiente di diffusione) per individuare quello che influenza maggiormente il fenomeno.

The present work analyzes the haematic flow through a finite element code (COMSOL Multiphysics). Artery is affected by Doppler catheter (whose position inside is concentric or non-concentric, and also inclined with respect to the vessel’s axis) or stenoses of different shape and extension. Solid artery is a rigid, elastic or hyperelastic cylinder. Blood vessel’s diameters are assumed to be 2 mm, 4 mm, 5 mm and 6 mm. Haematic laminar flow, both in stationary and transient regime, is established, and blood is a non-Newtonian cassonian fluid, modified according to Gonzales & Moraga formulation. Numerical analysis are on three-dimensional and bidimensional models, the latter one also introducing fluid-structure interaction. Fluid dynamic three-dimensional models consider rigid artery to compute pressure field, then this is introduced as input datum in the structural-mechanics simulation, in order to determine cross-sectional variation and disturbance length on flow. Three dimensional models affected by the catheter’s presence consider three blood flow rates (maximum, minimum and averaged), while bi-dimensional and stenotic three-dimensional artery’s models introduce a pressure time-dependent function representing the haematic wave. Geometric domains are discretized by triangles (2D) and tetrahedrons (3D), also improving mesh near walls and downstream obstacles, to resolve recirculation. Two appendices are attached to the present dissertation, dealing with results from CFD simulations of conjugate heat transfer in microchannels and droplet evaporation in non-confined systems. Fluid dynamics in microchannel is analogous to the flow analysis in the capillary system; while the Eulerian-Lagrangian approach, which models evaporation, could represent blood multiphase nature. Microchannel’s appendix analyzes the transient condition following time-dependent heat flux rising, also varying inlet velocity and microchannel’s geometry. Investigation on droplet evaporation is a parametric three-dimensional analysis, that examines every parameter’s weight (external temperature, initial diameter, relative humidity, initial velocity and diffusion coefficient) in order to find the most influencing parameter on evaporation.