Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/11453
Title: Computational investigation of two phase flow in artery bifurcation
Other Titles: Υπολογιστική διερεύνηση διφασικής ροής σε διακλάδωση αρτηρίας
Authors: Κατσιγιάλου, Αικατερίνη
Keywords: Two phase flow
Artery bifurcation
Atherosclerosis
Computational fluid dynamics (CFD)
Keywords (translated): Διφασική ροή
Διακλάδωση αρτηρίας
Αθηροσκλήρωση
Υπολογιστική Δυναμική των Ρευστών
Abstract: In the present study a computational investigation of two phase flow in an artery bifurcation was contacted, using Computational Fluid Dynamics (CFD). In particular, we proposed an eulerian granular two phase model for the modeling of blood flow in an normal and a corresponding diseased left coronary artery bifurcation. Plasma was modeled as the continuous and liquid phase and Red Blood Cells (RBCs) as the granular and dispersed phase. The effect of the percentage of stenosis of 55%, 65% and 75% of a lesion type (1,0,1) of Medina Classification was investigated for the stage of rest and the stage of hyperemia. Also, the effect of the bifurcation angle from 50° to 70° and 90° was studied. A total number of 28 simulations were carried out. Results between single phase and two phase modeling of blood are compared in order to evaluate the proposed two phase model of blood flow. The geometric models of left coronary bifurcation were designed in the commercial program SolidWorks and the CFD simulations were carried out with the use of the commercial program Ansys Fluent (v16). In the first chapter, we present some basic biological knowledge about the cardiovascular system, the arteries and specifically coronary arteries, and the left coronary artery bifurcation. We also explain what atherosclerosis is and we discuss about significant hemodynamic factors that characterize the blood flow in left coronary artery bifurcation: the Wall Shear Stress (WSS) and the Fractional Flow Reserve (FFR). In the second chapter we can see the exact dimensions of the geometrical model of the ideal left coronary bifurcation that was created in SolidWorks. Also, we discuss about the Medina classification of coronary bifurcation lesions, and we explain the reason for selecting to study the type (1,0,1). Finally we can see the geometries of all created models. At the third chapter, we discuss the theory that was applied for the CFD investigation. First, we explain basic fluid dynamics that were used for single phase modeling of blood, and then we analyze the multiphase (two phase) modeling approach. The multiphase modeling approach was achieved using the eulerian granular model of Ansys' Fluent, considering plasma as continuous liquid and phase and RBCs as dispersed and granular phase. Then, we explain the meaning of the Reynolds Number, and we present the theory of k-ε dispersed turbulence model that was used in the case of multiphase modeling of blood flow at the stage of hyperemia. At the fourth chapter, we mention the assumptions that we made in order to solve our problem. We assumed blood as newtonian fluid in single phase modeling, and plasma phase also newtonian in the case of multiphase modeling. We also assumed homogenous, isotropic and rigid artery walls. The pressure at the bifurcation outlets, the left circumflex artery (LCX) and the left anterior descending artery (LAD), were assumed constant. Then, we mention the boundary conditions and the solution methods that were used. In the fifth chapter, we present the meshing methods that we used to grid our models. We used a patch confirming method of tetrahedrons with an inflation of the wall. Methods of measuring the quality of grid's elements, like orthogonal quality, skewness and aspect ratio are also presented. First we accomplish a good element quality and then we verify that the results of this study are independent of the mesh and element size, conducting a mesh independence study. At the sixth chapter, the results of the present study are represented. First we validate the methods used in this study. Then, results about the effect of the percentage of stenosis of left coronary artery bifurcation and the effect of the change in bifurcation angle are discussed. Results are represented comparatively between multiphase and single phase modeling of blood flow. Analysis was conducted for important hemodynamic factors of mass flow rate, velocity, pressure, WSS, FFR, RBCs granular temperature and RBCs volume fraction. These factors are also compared between the stages of rest and hyperemia. Finally further investigation is carried out using the k-ε turbulence model of Ansys' Fluent in single phase modeling of blood at the left coronary bifurcation at the stage of hyperemia. Concluding, in the seventh chapter, similarities are found between the two phase modeling of blood flow in left coronary artery and the single phase modeling. The percentage of stenosis above 55% in the diseased coronary bifurcation seems to play an important role in significant hemodynamic factors mentioned before, while the increase of bifurcation angle from 50° to 70° and to 90° for 75% stenosis does not affect our results. Results of the multiphase modeling of blood also indicate a good representation of blood's shear thinning property and Fareus-Lindqvist effect. Further experimental investigation is suggested to evaluate the precision of this result. Finally, for single phase modeling of blood in the artery bifurcation at the stage of hyperemia, a turbulence model may be necessary, as Reynolds Number is over 500. For this reason also, an experiment extent of this work is therefore suggested.
Abstract (translated): Η παρούσα εργασία ασχολήθηκε με την υπολογιστική διερεύνηση διφασικής ροής στη διακλάδωση αρτηρίας, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της Υπολογιστικής Δυναμικής των Ρευστών (CFD). Πιο συγκεκριμένα, προτάθηκε ένα μοντέλο διφασικής ροής για την περιγραφή της ροής του αίματος στη διακλάδωση της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας, όταν αυτή είναι φυσιολογική και όταν είναι αθηροσκληρωτική. Το πλάσμα του αίματος μοντελοποιήθηκε ως συνεχής και υγρή φάση και τα ερυθρά κύτταρα ως σωματιδιακή διάσπαρτη φάση. Διερευνήθηκε η επίδραση του ποσοστού στένωσης 55%, 65% και 75% του τύπου (1,0,1) της κατηγοριοποίησης κατά Medina, στο στάδιο της ξεκούρασης και στο στάδιο της υπεραιμίας. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της μεταβολής της γωνίας της διακλάδωσης της αρτηρίας από 50° σε 70° και 90°. Διεξήχθηκαν συνολικά 28 προσομοιώσεις. Για την αξιολόγηση του μοντέλου της διφασικής ροής που προτείνεται για το αίμα, τα αποτελέσματα αυτού συγκρίνονται με αυτά της μοντελοποίησης του αίματος σαν μονοφασική ροή. Τα γεωμετρικά μοντέλα της διακλάδωσης της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας σχεδιάστηκαν με το εμπορικό πρόγραμμα SolidWorks και οι υπολογισμοί της δυναμικής των ρευστών (CFD) διεξήχθησαν με τη χρήση του εμπορικού προγράμματος Ansys Fluent (v.16). Στο πρώτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται κάποιες βασικές βιολογικές γνώσεις σχετικά με το καρδιαγγειακό σύστημα, τις αρτηρίες και ειδικά τις στεφανιαίες αρτηρίες, καθώς και τη διακλάδωση της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας. Εξηγείται επίσης, τι είναι η αθηροσκλήρωση, και κάνουμε λόγο για σημαντικούς παράγοντες της αιμοδυναμικής που χαρακτηρίζουν τη ροή του αίματος στη διακλάδωση της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας, όπως είναι η διατμητική τάση του τοιχώματος (WSS) και η διατήρηση της κλασματικής ροής (FFR). Στο δεύτερο κεφάλαιο βλέπουμε αναλυτικά τις διαστάσεις του ιδεατού γεωμετρικού μοντέλου της διακλάδωσης της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας που δημιουργήθηκε στο πρόγραμμα SolidWorks. Επίσης, γίνεται λόγος για την κατηγοριοποίηση κατά Medina των στενώσεων στις διακλαδώσεις των στεφανιαίων αρτηριών, και εξηγείται γιατί επιλέχθηκε να διερευνηθεί ο τύπος (1,0,1). Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό μπορούμε να δούμε τις γεωμετρίες όλων των μοντέλων που δημιουργήθηκαν. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η θεωρία που εφαρμόστηκε για την δυναμική υπολογιστική διερεύνηση του ρευστού (CFD). Πρώτα εξηγούνται οι βασικές αρχές της ρευστοδυναμικής που χρησιμοποιήθηκαν για τη μοντελοποίηση της μονοφασικής ροής, και έπειτα αναλύεται η θεωρία για την προσέγγιση της πολυφασικής (διφασικής εν προκειμένω) ροής. Η μοντελοποίηση της πολυφασικής ροής προσεγγίστηκε με τη θεωρία Euler-Euler στον κώδικα Fluent του προγράμματος Ansys, θεωρώντας το πλάσμα του αίματος σα συνεχή υγρή φάση και τα ερυθρά κύτταρα σα σωματιδιακή διάσπαρτη φάση. Έπειτα εξηγείται η σημασία του αριθμού Ρέινολντς και παρουσιάζουμε τη θεωρία του διάσπαρτου k-ε μοντέλου τύρβης που χρησιμοποιήθηκε στην περίπτωση της πολυφασικής ροής του αίματος στο στάδιο της υπεραιμίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναφέρονται οι παραδοχές που έγιναν για την επίτευξη των αποτελεσμάτων. Στην μοντελοποίηση της μονοφασικής ροής υποθέσαμε ότι το αίμα συμπεριφέρεται σα νευτώνειο υγρό, καθώς επίσης και η φάση του πλάσματος στην μοντελοποίηση της πολυφασικής ροής. Επίσης, έγινε η παραδοχή ότι τα αρτηριακά τοιχώματα είναι ομογενή, ισοτροπικά και στέρεα. Ακόμα, η πίεση στις εξόδους της διακλάδωσης, δηλαδή στην αριστερή περιφερική αρτηρία (LCX) και στην αριστερή εμπρόσθια φθίνουσα αρτηρία (LAD), θεωρήθηκε σταθερή. Τέλος, στο κεφάλαιο αυτό αναφέρονται οι οριακές συνθήκες και οι μέθοδοι επίλυσης που χρησιμοποιήθηκαν για τη λήψη των αποτελεσμάτων. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία του πλέγματος των πεπερασμένων στοιχείων. Επίσης παρουσιάζονται κάποιες μέθοδοι εκτίμησης της ποιότητας αυτού του πλέγματος όπως η ορθογωνική ποιότητα, η στρέβλωση και ο λόγος των διαστάσεων των πεπερασμένων στοιχείων. Αφού πρώτα επιτεύχθηκε μια αρκετά καλή ποιότητα των πεπερασμένων στοιχείων, διασφαλίστηκε με κατάλληλη διερεύνηση η ανεξαρτησία των αποτελεσμάτων της έρευνάς μας από το μέγεθος, και επομένως το πλήθος των πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία του πλέγματος. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας. Αρχικά διασφαλίζεται η ακρίβεια των αποτελεσμάτων της. Έπειτα αναλύονται τα αποτελέσματα αυτής σχετικά με την επίδραση του ποσοστού της στένωσης στη διακλάδωση της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας και σχετικά με την επίδραση της αλλαγής της γωνίας της διακλάδωσης. Τα αποτελέσματα παρατίθενται συγκριτικά για το μοντέλο της διφασικής και της μονοφασικής προσέγγισης της ροής του αίματος. Αναλύονται σημαντικοί παράγοντες της αιμοδυναμικής όπως η ροή της μάζας, η ταχύτητα, η πίεση, η διατμητική τάση του τοιχώματος (WSS), η διατήρηση της κλασματικής ροής (FFR), η σωματιδιακή θερμοκρασία των ερυθροκυττάρων και κλασματικός όγκος αυτών. Επίσης, αυτοί οι παράγοντες συγκρίνονται μεταξύ των σταδίων της ξεκούρασης και της υπεραιμίας. Τέλος διεξάγεται μία επιπλέον έρευνα για τη χρήση του μοντέλου τύρβης k-ε του κώδικα Fluent του προγράμματος Ansys για τη μονοφασική μοντελοποίηση του αίματος στη διακλάδωση της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας στο στάδιο της υπεραιμίας. Καταλήγοντας, στο έβδομο κεφάλαιο, επισημαίνονται οι ομοιότητες που παρατηρούνται μεταξύ της διφασικής και της μονοφασικής προσέγγισης για τη μοντελοποίηση της ροής του αίματος στη διακλάδωση της αριστερής στεφανιαίας αρτηρίας. Όταν το ποσοστό στένωσης της αθηροσκληρωτικής διακλάδωσης της αρτηρίας είναι πάνω από 55% οι σημαντικοί αιμοδυναμικοί παράγοντες που αναφέρθηκαν προηγουμένως επηρεάζονται αρκετά, ενώ η όταν αυξάνεται η γωνία της διακλάδωσης από 50° σε 70° και σε 90°, τα αποτελέσματα επηρεάζονται απειροελάχιστα. Επίσης, η πολυφασική μοντελοποίηση του αίματος φαίνεται να αναπαριστά καλά την ιδιότητα του αίματος να μειώνει το ιξώδες του όταν η διατμητική τάση αυξάνεται, δηλαδή το φαινόμενο Fareus-Lindqvist, που περιγράφει την απομάκρυνση των ερυθροκυττάρων από τα τοιχώματα της αρτηρίας όταν η διάμετρος της αρτηρίας μειώνεται. Περαιτέρω πειραματική διερεύνηση προτείνεται για την αξιολόγηση της ακρίβειας αυτού του αποτελέσματος. Τέλος στην περίπτωση της μοντελοποίησης του αίματος σαν μονοφασικό ρευστό στο στάδιο της υπεραιμίας, ένα μοντέλο τύρβης μοιάζει να είναι απαραίτητο, καθώς αριθμός Ρέινολντς μεγαλύτερος από 500, στην περίπτωση του αίματος, φαίνεται να υποδηλώνει τύρβη. Για αυτό το λόγο, επίσης, μια πειραματική επέκταση αυτής της έρευνας προτείνεται, για την απόδειξη αυτής της πρότασης.
Appears in Collections:Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογιστών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Nemertes_Katsigialou(ele).pdf4.88 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons