Theoretical analysis and numerical verification of the consistency of viscous smoothed-particle-hydrodynamics formulations in simulating free-surface flows

The theoretical formulation of the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method deserves great care because of some inconsistencies occurring when considering free-surface inviscid flows. Actually, in SPH formulations one usually assumes that (i) surface integral terms on the boundary of the interpolation kernel support are neglected, (ii) free-surface conditions are implicitly verified. These assumptions are studied in detail in the present work for free-surface Newtonian viscous flow. The consistency of classical viscous weakly compressible SPH formulations is investigated. In particular, the principle of virtual work is used to study the verification of the free-surface boundary conditions in a weak sense. The latter can be related to the global energy dissipation induced by the viscous term formulations and their consistency. Numerical verification of this theoretical analysis is provided on three free-surface test cases including a standing wave, with the three viscous term formulations investigated.

On the structure of the floating zone in melting

Floating zone melting is used in crystal growth and purification of high melting materials. The use of a reduced gravity environment will remove the constraint imposed on the length of the zone by the hydrostatic pressure. The equilibrium of the fioatmg zone may involve, (1)Hydrostatic forces, when the zone rotates as a whole. (2)Convective driving forces, when the zone is stationary but fluid property gradients appear.(3) Hydrodynamic forces, when some parts of the zone are set into motion with respect to others. The last effects are considered in this paper. The flow pattern of a floating zone held between two discs in relative motion is complicated, and thence the solution of the problem is difficult even assuming a constant property-newtonian liquid Nevertheless, when a small parameter appears m the problem, the complete flow field can be split into zones where simple solutions are found. To illustrate this approach, the spin up from rest of an initially cylindrical floating zone is considered with detail. Here the small parameter is the time elapsed from the impulsive starting of motion. Since the problem which has been considered, as well as some others which can be tackled by use of similar methods, concern the viscous layer close to either plate, they can be simulated experimentally in the ground laboratory with short floating zones. Procedures to produce these zones are indicated.

Modelización de contactos termoelastohidrodinámicos

La mejora en la eficiencia energética y la reducción de la tasa de fallos en los contactos lubricados son aspectos que resultan de gran interés en numerosos sectores de la industria, y plantean en estos momentos nuevas dificultades operativas y retos para un futuro próximo. Los avances tecnológicos han incrementado las exigencias técnicas que se requieren a los aceites para cumplir su función al extender sus variables operativas a un mayor espectro de aplicaciones, tanto de condiciones de funcionamiento como a la gran variedad de nuevos materiales constitutivos de los engranajes en los que se tiene que utilizar. Por ello, actualmente se está incentivado el desarrollo de nuevos procedimientos que permitan comprender el comportamiento de este tipo de contactos lubricados, con el fin de lograr mejoras técnicas en su diseño y la correcta selección del aceite. En esta Tesis Doctoral se presenta una metodología de cálculo numérico que permite simular el comportamiento de contactos elastohidrodinámicos (EHD) puntuales, como puede ser el caso de un rodamiento. La resolución de este problema presenta diversas complejidades matemáticas y exige el desarrollo de un elaborado procedimiento de cálculo basado en técnicas multinivel. Para hacer del procedimiento una herramienta válida en un gran número de condiciones de funcionamiento y tipos de lubricantes, se ha tenido en cuenta en el cálculo la posible aparición de comportamientos no-Newtonianos del lubricante y fenómenos de generación y disipación de calor, provocados por el movimiento relativo del fluido y las superficies en contacto. Para la validación del procedimiento, se han contrastado los resultados numéricos obtenidos con nuestro método, con los resultados numéricos y experimentales publicados por otros autores y con valores experimentales propios medidos en un equipo de ensayo de contacto puntual tipo MTM. El desarrollo de este programa ha dotado a la División de Ingeniería de Máquinas de una herramienta que ha permitido, y sobre todo va permitir, evaluar la importancia de cada uno de los parámetros reológicos en los diferentes problemas que va a tener que abordar, evaluación que hasta el momento se realizaba con métodos aproximados que describen la fenomenología con mucha menos precisión. A la hora de emplear nuestro procedimiento numérico para simular situaciones reales, nos hemos encontrado con el obstáculo de que es muy complicado encontrar, en la bibliografía y bases de datos, los parámetros que caracterizan el comportamiento reológico del lubricante en las condiciones de presión, temperatura y grado de cizallamiento habituales en las que se trabaja en este tipo de contactos, y las pocas medidas que existen para estas condiciones de funcionamiento son poco fiables. Por ello como complemento al objetivo principal de esta Tesis hemos desarrollado una metodología para caracterizar los lubricantes en estas condiciones extremas. Dicha metodología está basada en la buena descripción que hace nuestro programa del coeficiente de fricción, lo que nos ha permitido obtener los parámetros reológicos del III lubricante a partir de las medidas experimentales del coeficiente de fricción generado en un equipo MTM lubricado con el lubricante que se desea caracterizar. Madrid, Octubre de 2012 IV Improving energy efficiency and reducing the failure rate in lubricated contacts are issues that are of great interest in many sectors of industry, and right now posed operational difficulties and new challenges for the near future. Technological advances have increased the technical demands required to oils to fulfil its role by extending its operational variables to a wider range of applications, both operating conditions and to the wide variety of new materials which constitute the gear in which must be used. For this reason, has being encouraged currently to develop new procedures to understand the behaviour of this type of lubricated contacts, in order to achieve improvements in design techniques and the correct oil selection. In this Thesis we present a numerical methodology to simulate the puntual elastohydrodynamic contact behaviour (EHD), such as a roller bearing. The resolution of this problem presents various mathematical complexities and requires the development of an elaborate calculation procedure based on multilevel techniques. To make the procedure a valid tool in a wide range of operating conditions and types of lubricants, has been taken into account in calculating the possible occurrence of non-Newtonian behaviour of the lubricant and phenomena of generation and dissipation of heat, caused by the fluid relative motion and contacting surfaces. For the validation of the method, we have compared the numerical results obtained with our method with numerical and experimental results published by other authors also with own experimental values measured on point-contact test equipment MTM. The development of this program has provided the Machines Engineering Division of a tool that has allowed, and especially will allow to evaluate the importance of each of the rheological parameters on the various problems that will have to be addressed, evaluation performed hitherto described methods that phenomenology approximated with much less accuracy. When using our numerical procedure to simulate real situations we have encountered the obstacle that is very difficult to find, in the literature and database, parameters characterizing the rheological behaviour of the lubricant in the usual conditions of pressure, temperature and shear rate in which you work in this type of contact, and the few measures that exist for these operating conditions are unreliable. Thus in addition to the main objective of this thesis, we have developed a methodology to characterize the lubricants in these extreme conditions. This methodology is based on the good description, which makes our program, of the coefficient of friction, that allowed us to obtain the lubricant rheological parameters from experimental measurements of the friction coefficient generated on lubricated MTM equipment with the lubricant to be characterized.

Después de Einstein: una arquitectura para una teoría

En 1905, aparecen en la revista "Annalen der physik" tres artículos que revolucionarán las ciencias físicas y pondrán en jaque los asentados conceptos newtonianos de Espacio y Tiempo. La formulación de la Teoría de la Relatividad por Albert Einstein pone en crisis el valor absoluto de estos conceptos, y permite proponer nuevas reflexiones a propósito de su concepción dentro del campo de la física. Esta revolución ¿podría extrapolarse al campo de la arquitectura, donde Espacio y Tiempo tienen un papel protagonista? Hay que entender la complejidad del hecho arquitectónico y las innumerables variables que participan de su definición. Se estudia en esta Tesis Doctoral un aspecto muy concreto: cómo un paradigma (la Teoría de la Relatividad) puede intervenir y modificar, o no, la Arquitectura. Se plantea para ello ir al origen; desentrañar el momento de interacción entre la Teoría de la Relatividad y la Teoría de la Arquitectura, que permita determinar si aquella influyó sobre ésta en los escritos teóricos de las vanguardias aplicados a la Arquitectura. “Después de Einstein. Una arquitectura para una teoría” buscará los puntos de conexión de la Teoría de la Relatividad con la teoría arquitectónica de las vanguardias de principio del siglo XX, su influencia, la contaminación entre una y otra, con posibles resultados arquitectónicos a partir de esta interacción, capaz de definir nuevos argumentos formales para un nuevo lenguaje enArquitectura. Annalen der physik Después de Einstein. Una arquitectura para una teoría Para ello la Tesis se estructura en cuatro capítulos. El primero expone el ámbito geográfico y cronológico donde se desarrolla la Teoría de la Relatividad con la repercusión teórica que tiene para el arte, en función de una nueva definición de espacio vinculado al tiempo, como evento que se desarrolla en un ámbito cuatridimensional; la indeterminación de las medidas de espacio y de las medidas de tiempo, y la importancia de entender la materia como energía. El segundo capítulo estudia los movimientos de vanguardia coetáneos a la eclosión de la Relatividad, enmarcados en su ámbito geográfico más próximo. El cubismo se muestra como movimiento que participa ocasionalmente de las matemáticas y la geometría, bajo el influjo del científico Henri Poincaré y las geometrías no euclidianas. El futurismo indaga en los avances de la ciencia desde una cierta lejanía, cierta falta de rigor o profundidad científica para extraer las leyes de su nuevo idealismo plástico constructivo, definiendo e interpretando su Universo a partir de los avances de la ciencia, en respuesta a la crisis del espacio y del tiempo newtonianos. El lenguaje científico se encuentra presente en conceptos como "simultaneidad" (Boccioni), "expansión esférica de la luz en el espacio" (Severini y Carrá), "cuatridimensionalidad", "espacio-tiempo", "aire-luz-fuerza", "materia y energía" que paralelamente conforman el cuerpo operacional de la teoría de Einstein. Si bien no es posible atribuir a la Teoría de la Relatividad un papel protagonista como referente para el pensamiento artístico, en 1936, con la aparición del manifiesto Dimensionista, se atribuyen explícitamente a las teorías de Einstein las nuevas ideas de espacio-tiempo del espíritu europeo seguido por cubistas y futuristas. El tercer capítulo describe cómo la Teoría de la Relatividad llegó a ser fuente de inspiración para la Teoría de la Arquitectura. Estructurado en tres subcapítulos, se estudia el autor principal que aportó para la Arquitectura conceptos e ideas extrapoladas de la Teoría de la Relatividad después de su estudio e interpretación (Van Doesburg), dónde se produjeron las influencias y puntos de contacto (Lissitzky, Eggeling, Moholy-Nagy) y cómo fueron difundidas a través de la arquitectura (Einsteinturm de Mendelsohn) y de las revistas especializadas. El cuarto capítulo extrae las conclusiones del estudio realizado en esta Tesis, que bien pudiera resumir MoholyNagy en su texto "Vision inmotion" (1946) al comentar: "Ya que el "espacio-tiempo" puede ser un término engañoso, tiene que hacerse especialmente hincapié en que los problemas de espacio-tiempo en el arte no están necesariamente basados en la Teoría de la Relatividad de Einstein. Esto no tiene intención de descartar la relevancia de su teoría para las artes. Pero los artistas y los laicos rara vez tienen el conocimiento matemático para visualizar en fórmulas científicas las analogías con su propio trabajo. La terminología de Einstein del "espacio-tiempo" y la "relatividad" ha sido absorbida por nuestro lenguaje diario." ABSTRACT. "AFTER EINSTEIN:ANARCHITECTUREFORATHEORY." In 1905, three articles were published in the journal "Annalen der Physik ". They revolutionized physical sciences and threw into crisis the newtonian concepts of Space and Time. The formulation of the Theory of Relativity by Albert Einstein put a strain on the absolute value of these concepts, and proposed new reflections about them in the field of Physics. Could this revolution be extrapolated to the field of Architecture, where Space and Time have a main role? It is necessary to understand the complexity of architecture and the countless variables involved in its definition. For this reason, in this PhD. Thesis, we study a specific aspect: how a paradigm (Theory of Relativity) can intervene and modify -or not- Architecture. It is proposed to go back to the origin; to unravel the moment in which the interaction between the Theory of Relativity and the Theory of Architecture takes place, to determine whether the Theory of Relativity influenced on the theoretical avant-garde writings applied to Architecture. "After Einstein.An architecture for a theory " will search the connection points between the Theory of Relativity and architectural avant-garde theory of the early twentieth century, the influence and contamination between them, giving rise to new architectures that define new formal arguments for a new architectural language. Annalen der Physik This thesis is divided into four chapters. The first one describes the geographical and chronological scope in which the Theory of Relativity is developed showing its theoretical implications in the field of art, according to a new definition of Space linked to Time, as an event that takes place in a fourdimensional space; the indetermination of the measurement of space and time, and the importance of understanding "matter" as "energy". The second chapter examines the avant-garde movements contemporary to the theory of relativity. Cubism is shown as an artist movement that occasionally participates in mathematics and geometry, under the influence of Henri Poincaré and non-Euclidean geometries. Futurism explores the advances of science at a certain distance, with lack of scientific rigor to extract the laws of their new plastic constructive idealism. Scientific language is present in concepts like "simultaneity" (Boccioni), "expanding light in space" (Severini and Carra), "four-dimensional space", "space-time", "light-air-force," "matter and energy" similar to the operational concepts of Einstein´s theory. While it is not possible to attribute a leading role to the Theory of Relativity, as a benchmark for artistic laws, in 1936, with the publication of the Dimensionist manifest, the new ideas of space-time followed by cubist and futurist were attributed to the Einstein's theory. The third chapter describes how the Theory of Relativity became an inspiration for the architectural theory. Structured into three subsections, we study the main author who studied the theory of relativity and ,as a consequence, contributed with some concepts and ideas to the theory of architecture (Van Doesburg), where influences and contact points took place (Lissitzky, Eggeling, Moholy-Nagy) and how were disseminated throughArchitecture (Einsteinturm, by Mendelsohn) and journals. The fourth chapter draws the conclusions of this PhD. Thesis, which could be well summarized by Moholy Nagy in his text "Vision in Motion" (1946): vi Since "space-time" can be a misleading term, it especially has to be emphasized that the space-time problems in the arts are not necessarily based upon Einstein´s Theory of Relativity. This is not meant to discount the relevance of his theory to the arts. But artists and laymen seldom have the mathematical knowledge to visualize in scientific formulae the analogies to their own work. Einstein's terminology of "space-time" and "relativity" has been absorbed by our daily language.

Nonlinear response to ultrasound of encapsulated microbubbles

The acoustic backscatter of encapsulated gas-filled microbubbles immersed in a weak compressible liquid and irradiated by ultrasound fields of moderate to high pressure amplitudes is investigated theoretically. The problem is formulated by considering, for the viscoelastic shell of finite thickness, an isotropic hyperelastic neo-Hookean model for the elastic contribution in addition to a Newtonian viscous component. First and second harmonic scattering cross-sections have been evaluated and the quantitative influence of the driving pressure amplitude on the harmonic resonance frequencies for different initial equilibrium bubble sizes and for different encapsulating physical properties has been determined. Conditions for optimal second harmonic imaging have been also investigated and some regions in the parameters space where the second harmonic intensity is dominant over the fundamental have been identified. Results have been obtained for albumin, lipid and polymer encapsulating shells, respectively.

Análisis de la influencia de los diferentes parámetros de diseño en la aparición de fatiga superficial en contactos mecánicos

La fatiga superficial es uno de los principales problemas en las transmisiones mecánicas y es uno de los focos de atención de las investigaciones de los últimos anos en Tribología. La disminución de viscosidad de los lubricantes para la mejora de la eficiencia, el aumento de las potencias a transmitir, el aumento de la vida de los componentes o la mejora de su fiabilidad han supuesto que los fenómenos de fatiga superficial hayan cobrado especial relevancia, especialmente los fenómenos de pitting y micropitting en cajas multiplicadoras/reductoras de grandes potencias de aplicación, por ejemplo, en el sector eólico. Como todo fenómeno de fatiga, el pitting y micropitting son debidos a la aplicación de cargas ciclicas. Su aparición depende de las presiones y tensiones cortantes en el contacto entre dos superficies que al encontrarse en rodadura y deslizamiento varian con el tiempo. La principal consecuencia de la fatiga superficial es la aparición de hoyuelos de diferente magnitud segun la escala del fenómeno (pitting o micropitting) en la superficie del material. La aparición de estos hoyuelos provoca la perdida de material, induce vibraciones y sobrecargas en el elemento que finalmente acaba fallando. Debido a la influencia de la presión y tensión cortante en el contacto, la aparición de fatiga depende fuertemente del lubricante que se encuentre entre las dos superficies y de las condiciones de funcionamiento en las cuales este trabajando. Cuando el contacto trabaja en condiciones de lubricacion mixta-elastohidrodinamica tiende a aparecer micropitting debido a las altas tensiones localizadas en las proximidades de las asperezas, mientras que si el régimen es de lubricación completa el tipo de fatiga superficial suele ser pitting debido a las tensiones mas suavizadas y menos concentradas. En esta Tesis Doctoral se han analizado todos estos factores de influencia que controlan el pitting y el micropitting prestando especial atención al efecto del lubricante. Para ello, se ha dado un enfoque conjunto a ambos fenómenos resolviendo las ecuaciones involucradas en el contacto elastohidrodinamico no-Newtoniano (la ecuación de Reynolds, la deformación elástica de los sólidos y la reologia del lubricante) para conocer la presión y la tensión cortante en el contacto. Conocidas estas, se resuelve el campo de tensiones en el interior del material y, finalmente, se aplican criterios de fatiga multiaxial (Crossland, Dang Van y Liu-Mahadevan) para conocer si el material falla o no falla. Con la metodología desarrollada se ha analizado el efecto sobre las tensiones y la aparición de la fatiga superficial del coeficiente viscosidad-presion, de la compresibilidad, del espesor especifico de película y de la fricción así como de la influencia de las propiedades a fatiga del material y de las condiciones de funcionamiento (radios de contacto, velocidad, deslizamiento, carga y temperatura). Para la validación de los resultados se han utilizado resultados teóricos y experimentales de otros autores junto con normas internacionales de amplia utilización en el mundo industrial, entre otras, para el diseño y calculo de engranajes. A parte del trabajo realizado por simulación y cálculo de los diferentes modelos desarrollados, se ha realizado un importante trabajo experimental que ha servido no solo para validar la herramienta desarrollada sino que además ha permitido incorporar al estudio factores no considerados en los modelos, como los aditivos del lubricante. Se han realizado ensayos de medida del coeficiente de fricción en una maquina de ensayo puntual con la que se ha validado el cálculo del coeficiente de fricción y se ha desarrollado un proceso de mejora del coeficiente de fricción mediante texturizado superficial en contactos puntuales elastohidrodinamicos mediante fotolitografia y ataque quimico. Junto con los ensayos de medida de fricción en contacto puntual se han realizado ensayos de fricción y fatiga superficial en contacto lineal mediante una maquina de discos que ha permitido evaluar la influencia de diferentes aditivos (modificadores de fricción, antidesgaste y extrema-presion) en la aparición de fatiga superficial (pitting y micropitting) y la fricción en el contacto. Abstract Surface fatigue is one of the most important problems of mechanical transmissions and therefore has been one of the main research topics on Tribology during the last years. On the one hand, industrial demand on fuel economy has led to reduce lubricant viscosity in order to improve efficiency. On the other hand, the requirements of power and life of machine elements are continuously increasing, together with the improvements in reliability. As a consequence, surface fatigue phenomena have become critical in machinery, in particular pitting and micropitting in high power gearboxes of every kind of machines, e.g., wind turbines or cranes. In line with every fatigue phenomena, pitting and micropitting are caused by cyclic loads. Their appearance depends on the evolution of pressures and shear stresses with time, throughout the contact between surfaces under rolling and sliding conditions. The main consequence of surface fatigue is the appearance of pits on the surface. The size of the pits is related to the scale of the fatigue: pitting or micropitting. These pits cause material loss, vibrations and overloads until the final failure is reached. Due to the great influence of the pressures and shear stresses in surface fatigue, the appearance of pits depends directly on the lubricant and the operating conditions. When the contact works under mixed regime (or under elastohydrodynamic but close to mixed regime) the main fatigue failure is micropitting because of the high pressures located near the asperities. In contrast, when the contact works under elastohydrodynamic fully flooded conditions the typical fatigue failure is pitting. In this Ph.D. Thesis, the main factors with influence on pitting and micropitting phenomena are analyzed, with special attention to the effect of the lubricant. For this purpose, pitting and micropitting are studied together by solving the equations involved in the non-Newtonian elastohydrodynamic contact. Thus, pressure and shear stress distributions are found by taking into account Reynolds equation, elastic deflection of the solids and lubricant rheology. Subsequently, the stress field inside the material can be calculated and different multiaxial fatigue criteria (Crossland, Dang Van and Liu- Mahadevan) can be applied to predict whether fatigue failure is reached. The influences of the main parameters on pressure and surface fatigue have been studied, taking into account the lubricant compressibility and its viscosity-pressure coefficient, the specific film thickness, the friction coefficient and the fatigue properties of the contacting materials, together with the operating conditions (contact radius, mean velocity, sliding velocity, load and temperature). Several theoretical and experimental studies of different authors have been used to validate all the results obtained, together with international standards used worldwide in gear design industry. Moreover, an experimental stage has been carried out in order to validate the calculation methods and introduce additional influences not included previously, e.g., lubricant additives. The experimentation includes different friction tests in point contacts performed with a tribological equipment in order to validate the results given by the calculations. Furthermore, the reduction and optimization of the friction coefficient is analyzed by means of textured surfaces, obtained combining photolithography and chemical etching techniques. Besides the friction tests with point contact, friction and surface fatigue tests have also been performed with line contact in a tribological test rig. This equipment is also used to study the influence of different types of additives (friction modifiers, anti-wear and extreme-pressure additives) on surface fatigue (pitting and micropitting).

Finite volume modelling of an icefield with subglacial lake

Momentum, mass and energy balance laws provide the tools for the study of the evolution of an icefield covering a subglacial lake. The ice is described as a non-Newtonian fluid with a power-law constitutive relationship with temperature- and stress-dependent viscosity (Glen?s law) [1]. The phase transition mechanisms at the air/ice and ice/water interfaces yield moving boundary formulations, and lake hydrodynamics requires equation reduction for treating the turbulence.

Analysis of Meshfree Methods for Lagrangian Fluid-Structure Interaction

In this dissertation a new numerical method for solving Fluid-Structure Interaction (FSI) problems in a Lagrangian framework is developed, where solids of different constitutive laws can suffer very large deformations and fluids are considered to be newtonian and incompressible. For that, we first introduce a meshless discretization based on local maximum-entropy interpolants. This allows to discretize a spatial domain with no need of tessellation, avoiding the mesh limitations. Later, the Stokes flow problem is studied. The Galerkin meshless method based on a max-ent scheme for this problem suffers from instabilities, and therefore stabilization techniques are discussed and analyzed. An unconditionally stable method is finally formulated based on a Douglas-Wang stabilization. Then, a Langrangian expression for fluid mechanics is derived. This allows us to establish a common framework for fluid and solid domains, such that interaction can be naturally accounted. The resulting equations are also in the need of stabilization, what is corrected with an analogous technique as for the Stokes problem. The fully Lagrangian framework for fluid/solid interaction is completed with simple point-to-point and point-to-surface contact algorithms. The method is finally validated, and some numerical examples show the potential scope of applications.

Dynamics of gas bubbles encapsulated by a viscoelastic fluid shell under acoustic fields

The dynamics of a gas-filled microbubble encapsulated by a viscoelastic fluid shell immersed in a Newtonian liquid and subject to an external pressure field is theoretically studied. The problem is formulated by considering a nonlinear Oldroyd type constitutive equation to model the rheological behavior of the fluid shell. Heat and mass transfer across the surface bubble have been neglected but radiation losses due to the compressibility of the surrounding liquid have been taken into account. Bubble collapse under sudden increase of the external pressure as well as nonlinear radial oscillations under ultrasound fields are investigated. The numerical results obtained show that the elasticity of the fluid coating intensifies oscillatory collapse and produces a strong increase of the amplitudes of radial oscillations which may become chaotic even for moderate driving pressure amplitudes. The role played by the elongational viscosity has also been analyzed and its influence on both, bubble collapse and radial oscillations, has been recognized. According to the theoretical predictions provided in the present work, a microbubble coated by a viscoelastic fluid shell is an oscillating system that, under acoustic driving, may experience volume oscillations of large amplitude, being, however, more stable than a free bubble. Thus, it could be expected that such a system may have a suitable behavior as an echogenic agent.

Numerical study of ultrasound induced non-linear shape and size bubble oscillations in viscoelastic media

The theoretical study of forced bubble oscillations is motivated by the importance of cavitation bubbles and oscillating encapsulated microbubbles (i.e. contrast agents) in medical sciences. In more details,theoretical studies on bubble dynamics addressing the sound-bubble interaction phenomenon provide the basis for understanding the dynamics of contrast agent microbubbles used in medical diagnosis and of non-linearly oscillating cavitation bubbles in the case of high-intensity ultrasound therapy. Moreover, the inclusion of viscoelasticity is of vital importance for an accurate theoretical analysis since most biological tissues and fluids exhibit non-Newtonian behavior.

Estudio del flujo sanguíneo para diferentes técnicas de implantación de stents en bifurcaciones coronarias

Las enfermedades arteriales vienen presididas por la aterosclerosis, que es un proceso crónico de degeneración, que evoluciona hacia la obstrucción de la luz arterial. La pared de la arteria se engrosa debido al depósito de elementos grasos tales como el colesterol. Los stents intraluminales son diminutas estructuras tubulares autoexpandibles de malla de metal, que se colocan dentro de la arteria coronaria después de una angioplastia con balón para prevenir el cierre de dicha arteria. A pesar de estar diseñados para ser compatibles con el tejido humano, a menudo se da una reacción en cadena de consecuencias indeseables. La reestenosis intra-stent es un problema creciente debido al importante incremento que se ha producido en la utilización del stent intracoronario como forma de revascularización percutánea. Se habla de una incidencia global del 28%, siendo la causa principal de su aparición la proliferación neointimal a través de una compleja cascada de sucesos que pueden tardar meses en desarrollarse. Una de las reacciones más importantes es la trombosis o la formación de una fina capa de coágulo como respuesta a la presencia de un material extraño. Este proceso es multifactorial, y en él intervienen la regresión de la pared como consecuencia del estiramiento previo, la denudación endotelial, lo que permite la agregación plaquetaria, la proliferación neointimal, lo que facilita a los receptores de membrana desencadenar un proceso de agregación posterior y, por último, el remodelado negativo inadecuado de la pared, lo que produce pérdida de luz arterial. Se ha observado frecuentemente que el depósito de ateroma en la pared arterial está relacionado con el valor de los esfuerzos cortantes en la misma. Hay mayores probabilidades de engrosamiento de la pared en las zonas donde son bajos los esfuerzos cortantes, quizá por el mayor tiempo de residencia de las partículas circulantes por el torrente sanguíneo. Si nos centramos en la afirmación anterior, el siguiente paso sería buscar las zonas susceptibles de presentar un valor bajo de dichos esfuerzos. Las zonas potencialmente peligrosas son los codos y bifurcaciones, entre otras. Nos hemos centrado en una bifurcación coronaria, ya que los patrones de flujo que se suelen presentar, tales como recirculación y desprendimiento de vórtices están íntimamente relacionados con las técnicas de implantación de stents en esta zona. Proyectamos nuestros esfuerzos en el estudio de dos técnicas de implante, utilizando un único stent y una tercera a través de una configuración de culotte con el uso de dos stents. El primer caso trata de una bifurcación con un único stent en la rama principal cuyos struts cierran el orificio lateral que da salida a la rama secundaria de la bifurcación, es decir sería un stent sin orificio. El segundo consiste en un único stent también, pero con la diferencia de que éste presenta un orificio de comunicación con la rama lateral. Todas estas técnicas se aplicaron a bifurcaciones de 45º y de 90º. Introdujimos las geometrías -una vez confeccionadas con el código comercial Gambit- en el programa Ansys-Fluent contemplando régimen estacionario. Los resultados obtenidos fueron cotejados con los experimentales, que se realizaron paralelamente, con el fin de corroborarlos. Una vez validados, el estudio computacional ya contó con la fiabilidad suficiente como para abordar el régimen no estacionario, tanto en la versión de reposo como en la de ejercicio –hiperemia- El comportamiento reológico de la sangre para régimen no estacionario en estado de reposo es otra de las tareas abordadas, realizando una comparativa de los modelos Newtoniano, Carreau y Ley de Potencias. Finalmente, en una última etapa, debido a la reciente incursión de los stents diseñados específicamente frente a los convencionales, se aborda el comportamiento hemodinámico de los mismos. Concretamente, se comparó el patrón de flujo en un modelo de bifurcación coronaria con los nuevos stents (Stentys) y los convencionales. Se estudiaron cuatro modelos, a saber, stent simple en la rama principal, stent simple en la rama secundaria, culotte desplegando el primer stent en la rama principal y culotte desplegando el primer stent en la rama secundaria. La bifurcación estudiada presenta un ángulo de apertura de 45º y la relación de diámetros de las ramas hija se ajustaron de acuerdo a la ley de Finet. Se recogieron resultados experimentales en el laboratorio y se corrieron simulaciones numéricas con Ansys Fluent paralelamente. Las magnitudes que se tuvieron en cuenta con el fin de ubicar las regiones potencialmente ateroscleróticas fueron los esfuerzos cortantes, vorticidad y caída de presión. ABSTRACT Nowadays, restenosis after percutaneous dilation is the major drawback of coronary angioplasty. It represents a special form of atherosclerosis due to the healing process secondary to extensive vessel trauma induced after intracoronary balloon inflation. The use of coronary stents may decrease the incidence of this phenomenon. Unfortunately, intra-stent restenosis still occurs in 20-30% of the cases following the stent implantation. Most experiments suggest a correlation between low wall shear stress and wall thickness. The preferential locations for the atherosclerotic plaque are bifurcations. The objective of this work is to analyze the local hemodynamic changes caused in a coronary bifurcation by three different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the main vessel with kissing balloon in the side branch and culotte. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used, and two bifurcation angles, 45º and 90º, are chosen as representative of the wide variety of real configurations. Both numerical simulations and experimental measurements are performed. First, steady simulations are carried out with the commercial code Ansys-Fluent, then, experimental measurements with PIV (Particle Image Velocimetry), obtained in the laboratory, are used to validate the numerical simulations. The steady computational simulations show a good overall agreement with the experimental data. Then, pulsatile flow is considered to take into account the transient effects. The time averaged wall shear stress, oscillatory shear index and pressure drop obtained numerically are used to compare the behavior of the stenting techniques. In a second step, the rheologic behavior of blood was considered comparing Newtonian, Carreau and Power Law models. Finally, as a result of previous investigations with conventional stents and after the recent emergence of several devices specifically designed for coronary bifurcations angioplasty, the hemodynamic performance of these new devices (Stentys) was compared to conventional ones and techniques in a coronary bifurcation model. Four different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the side vessel, culotte deploying the first stent in the main vessel and culotte deploying the first stent in the side vessel have been considered. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used. A 45 degrees bifurcation angle is considered and the daughter branches diameters are obtained according to the Finet law. Both experiments in the laboratory and numerical simulations were used , focusing on important factors for the atherosclerosis development, like the wall shear stress, the oscillation shear index, the pressure loss and the vorticity.

Study of the influence of actin-binding proteins using linear analyses of cell deformability

The actin cytoskeleton plays a key role in the deformability of the cell and in mechanosensing. Here we analyze the contributions of three major actin cross-linking proteins, myosin II, a-actinin and filamin, to cell deformability, by using micropipette aspiration of Dictyostelium cells. We examine the applicability of three simple mechanical models: for small deformation, linear viscoelasticity and drop of liquid with a tense cortex; and for large deformation, a Newtonian viscous fluid. For these models, we have derived linearized equations and we provide a novel, straightforward methodology to analyze the experiments. This methodology allowed us to differentiate the effects of the cross-linking proteins in the different regimes of deformation. Our results confirm some previous observations and suggest important relations between the molecular characteristics of the actin-binding proteins and the cell behavior: the effect of myosin is explained in terms of the relation between the lifetime of the bond to actin and the resistive force; the presence of a-actinin obstructs the deformation of the cytoskeleton, presumably mainly due to the higher molecular stiffness and to the lower dissociation rate constants; and filamin contributes critically to the global connectivity of the network, possibly by rapidly turning over crosslinks during the remodeling of the cytoskeletal network, thanks to the higher rate constants, flexibility and larger size. The results suggest a sophisticated relationship between the expression levels of actinbinding proteins, deformability and mechanosensing.