Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Hemodynamics in microcirculation : a novel method for the accurate calculation of WSS
Other Titles: Αιμοδυναμική της μικροκυκλοφορίας : ένας νεο τρόπος υπολογισμού της διατμητικής τάσης
Authors: Γιαννοκώστας, Κωνσταντίνος
Keywords: Modeling
Computational fluid dynamics (CFD)
Keywords (translated): Μοντελοποίηση
Υπολογιστική ρευστοδυναμική
Abstract: Ο σχηματισμός ενός αμιγούς στρώματος πλάσματος γύρω από τα τοιχώματα του μικροαγγειακού συστήματος καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την διατμητική τάση (WSS) που αναπτύσσεται πάνω σε αυτά και είναι ρυθμιστικός παράγοντας για την ανάπτυξη παθογόνων καταστάσεων [1]. Η παρούσα έρευνα εστιάζει στον ακριβή υπολογισμό της διατμητικής τάσης μέσω της μοντελοποίησης της ροής του αίματος σε αρτηρίες εύρους διατομής 20μm-400μm και αιματοκρίτη 0.25-0.55 (in vitro ροή). Για το σκοπό αυτό αναπτύσσεται ένα διφασικό μη-Νευτωνικό μοντέλο οι προβλέψεις του οποίου βρίσκονται σε άριστη συμφωνία με την αιμοδυναμική συμπεριφορά που παρατηρείται πειραματικά και υπεερούν των προβλέψεων με προηγούμενα μοντέλα προσομοίωσης της ροής του αίματος σε αρτηρίες [2]. Η ανάγκη της χρήσης ενός πιο ευπροσάρμοστου μοντέλου οδηγεί στην αντικατάσταση της διφασικής ροής από ένα μονοφασικό μοντέλο πλήρως κατειλημμένο από ερυθρά αιμοσφαίρια στο οποίο επιβάλλεται συνθήκη ολίσθησης στο τοίχωμα καθορισμένη από τα αποτελέσματα της διατμητικής τάσης του αρχικού μοντέλου. Η συνθήκη ολίσθησης που εξαρτάται τόσο από τις γεωμετρικές όσο και από τις εγγενείς αιμορεολογικές παραμέτρους της ροής, συμβάλλει ώστε η αρχικά η υπερεκτιμημένη διατμητική τάση από την πρόβλεψη του μονοφασικού προβλήματος να υποβιβαστεί κατάλληλα ώστε να επαληθεύει την πρόβλεψη της πραγματικής ροής του μικροαγγειακού συστήματος, που σε ορισμένες περιπτώσεις φτάνει μέχρι και 60%. Συμπεράσματα για την αποτελεσματικότητα της συνθήκης εξάγονται από την ροή αίματος σε πιο περίπλοκες γεωμετρίες και συγκεκριμένα σε κάθετες αρτηρίες με διατομή συγκρίσιμή των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Η υπόθεση της συμπεριφοράς του αίματος σαν συνεχές μέσο αλλά και η χρήση του κανόνα ολίσθησης που εξήχθηκε από την μονοδιάστατη μελέτη επαληθεύουν πλήρως τα αποτελέσματα που προέρχονται από την ίδια ροή με σωματιδιακή προσέγγιση των ερυθρών αιμοσφαιρίων [3]. Πραγματοποιώντας παραμετρική ανάλυση των αιμορεολογικών ιδιοτήτων της ροής, βρέθηκε ότι η ανάπτυξη της διατμητικής τάσης εξαρτάται αισθητά από την ροή μάζας αλλά και από το ποσοστό της συνολικής παροχής σε κάθε κλάδο ιδιαίτερα για τα σημεία που βρίσκονται κοντά στην διακλάδωση. Η έρευνα επεκτείνεται και στην ροή του αίματος σε μικροαγγεία όπου η ύπαρξη ενός στρώματος γλυκοκάλυκα που καλύπτει τα ενδοθηλιακά κύτταρα επιφέρει αλλαγή στην αιμοδυναμική και την διαμόρφωση της διατμητικής τάσης στο εσωτερικό ενδοθηλιακό τοίχωμα (in vivo ροή). Η παραμετρική ανάλυση του προβλήματος αποκαλύπτει μια αυξημένη επιρροή του γλυκοκάλυκα στην μέιωση της διατμητικής τάσης καθώς επίσης και το όριο όπου οι ροές in vitro και in vivo παρουσιάζουν όμοια αιμοδυναμική συμπεριφορά.
Abstract (translated): The vital importance of the cell free layer (CFL) and wall shear stress (WSS) in microcirculation has given incentive to research to associate the blood flow behavior particularly in states of disease [1]. In this study, we introduce a new way to accurately calculate the WSS by simulations that employ a two-phase moving interface model, with the rich-in-RBCs core represented by the Quemada constitutive equation based on an existing theoretical approach of Shiram et al. [29]. Algebraic expressions for the cell free layer (CFL) and the wall shear stress are developed through simulations of blood flow in circular tubes with diameters ranging from 10 to 1000 μm and tube hematocrits from 25% to 55%. The results indicate a perfect agreement with experimental measurements compared to previous model predictions [2]. The imperative use of a more versatile model leads to the replacement of the two-phase flow with a single-phase model in combination with a wall slip condition tuned using the results of the initial, two-phase model. Consequently, the slip condition, which depends on both geometry and intrinsic hemorheological flow parameters, appropriately corrects the initial overestimation of WSS calculation (which in some cases reaches up to 60%) to eventually lead to realistic predictions for a microcirculation network. Conclusions for the efficiency of the slip condition are derived from the blood flow in more complex geometries and especially in a 2D transverse arteriolar bifurcation with cross sections being comparable to the red blood cells diameter. The assumption of blood as a continuous medium and the imposition of the slip rule which was derived from one-dimensional simulations reproduce the results of flow simulations that track individual blood cells. Performing a parametric analysis of significant hemorheological properties, it was found that the development of shear stress appreciably depends on the mass flow and the total flow rate fraction particularly for the segments near the bifurcation corners. The effectiveness of the slip law is also tested in a 3D bone marrow microvessel flow where the predictions for the average velocities at several sections of the geometry are compared with the experimental counterparts. Finally, investigation of blood flow in microcirculation and extraction of major hemodynamics laws are performed for microvessels while also accounting for the glycocalyx layer which lines the endothelial cells. Parametric analysis of the problem reveals a similar behavior of hemodynamics in microcirculation for microvessels with a diameter over 100 μm indicating the limit of the influence of the porous media layer adjacent to cell free layer.
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Giannokostas(chem_eng).pdf3.81 MBAdobe PDFView/Open

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.