Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/16137
Title: 3D simulation of blood flow in the microcirculation
Other Titles: Τρισδιάστατη προσομοίωση της ροής του αίματος σε μικροαγγεία
Authors: Ζαμπέλης, Δημήτριος
Keywords: Blood flow
Microcirculation
Blood viscosity
Velocity profile
Cell-free layer
Keywords (translated): Ροή αίματος
Μικροκυκλοφορία
Ιξώδες αίματος
Προφίλ ταχύτητας
Αμιγές στρώμα πλάσματος
Abstract: This thesis concerns hemodynamics in the microcirculation. More specifically, it studies the effect of the hematocrit, vessel diameter and shear-rate on the relative apparent viscosity and velocity profile of blood and on the thickness of the cell-free layer in straight microvessels. In this regard, the theoretical framework, upon which the abovementioned dependences are based, consists of all the fundamental hemodynamical phenomena [1], that is, the formation of the cell-free layer, the Fahraeus and Fahraeus-Lindqvist effects and the shear-thinning behavior of blood [2]. To accomplish the above, this research employs the computing framework proposed by Závodszky et al. [1]. On the one hand, the blood cells, here only the red blood cells, are explicitly modeled as deformable membranes, that consist of networks of Lagrangian surface points [3, Ch. 4] and their responses to force fields are dictated by the constitutive model found in [1]. On the other hand, the suspending medium, in this case, the blood plasma, is represented using the lattice Boltzmann method [1], [3, Ch. 4]. Then, the collective blood behavior emerges as a product of the coupling of the aforementioned cellular and liquid components that the immersed boundary algorithm achieves [1], [3, Ch. 4]. Last, it should be noted that all simulations concern blood flows in straight microvessels with circular cross-sections and that the hemodynamical features are always calculated at steady flow conditions. The final results that stem from a systematic parametric study of approximately 70 simulations are presented in three different forms. First, for all three examined hemodynamical features the corresponding data are given in proper diagrams of those features against the shear-rate for various hematocrits or vessel diameters. Second, the microstructural configurations of some representative systems are displayed and third, whenever possible, the algebraic correlations derived from the non-linear fittings on the data are proposed as well. To conclude it should be highlighted that not only all the results are in qualitative agreement with the theoretical remarks mentioned above, but the quantitative comparison also demonstrates that they are in accordance with the few available data points provided in the literature [1], [4].
Abstract (translated): Η παρούσα διπλωματική εργασία ανήκει στον επιστημονικό κλάδο της αιμοδυναμικής στην μικροκυκλοφορία. Ειδικότερα, η εργασία εξετάζει την επιρροή που ασκούν ο αιματοκρίτης, η διάμετρος του αγγείου και ο ρυθμός παραμόρφωσης στο σχετικό φαινόμενο ιξώδες και στο προφίλ ταχύτητας του αίματος, όπως επίσης και στο πάχος του αμιγούς στρώματος πλάσματος σε ευθύγραμμα μικροαγγεία. Έχοντας αυτά υπόψη, το θεωρητικό πλαίσιο στο οποίο βασίζεται η εργασία αλλά και οι προαναφερθείσες επιδράσεις, αποτελείται από όλα τα θεμελιώδη αιμοδυναμικά φαινόμενα [1] και συγκεκριμένα περιλαμβάνει τον σχηματισμό του αμιγούς στρώματος πλάσματος κοντά στο τοίχωμα των αγγείων, τα φαινόμενα Fahraeus και Fahraeus-Lindqvist και τις ιδιότητες ρεολέπτυνσης που εμφανίζει το αίμα κατά την ροή του στην μικροκυκλοφορία [2]. Προκειμένου να πραγματοποιηθούν τα παραπάνω, χρησιμοποιείται το υπολογιστικό μοντέλο το οποίο έχει προταθεί από τους Závodszky κ.ά. [1]. Από την μία μεριά, τα ερυθρά αιμοσφαίρια προσομοιώνονται σαν μεμβράνες η επιφάνεια των οποίων αποτελείται από μια συλλογή Λαγκρανζιανών επιφανειακών σημείων [3, Ch. 4], ενώ οι αποκρίσεις των ερυθρών αιμοσφαιρίων σε πεδία δυνάμεων καθορίζεται από το μηχανικό μοντέλο που υπάρχει στην αναφορά [1]. Από την άλλη μεριά, το πλάσμα προσομοιώνεται με βάση την μέθοδο πλέγματος Boltzmann (LBM) [1], [3, Ch. 4]. Έπειτα, η συλλογική συμπεριφορά του αίματος αναδύεται σαν αποτέλεσμα της σύνδεσης των επιμέρους τμημάτων αυτού με την βοήθεια της μεθόδου καταβυθισμένου συνόρου (IBM) [1], [3, Ch. 4]. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι όλες οι προσομοιώσεις αφορούν ροές αίματος σε ευθύγραμμα μικροαγγεία με κυκλική διατομή, ενώ όλα τα αιμοδυναμικά χαρακτηριστικά υπολογίζονται πάντα σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης. Τα τελικά αποτελέσματα τα οποία προέρχονται από μία συστηματική παραμετρική μελέτη 70 περίπου προσομοιώσεων παρουσιάζονται με τρεις διαφορετικούς τρόπους. Πρώτα, για όλα τα εξεταζόμενα αιμοδυναμικά χαρακτηριστικά δίνονται διαγράμματα των χαρακτηριστικών αυτών έναντι του ρυθμού παραμόρφωσης για διαφορετικούς αιματοκρίτες ή διαμέτρους αγγείων. Επίσης, προβάλλονται οι διαμορφώσεις της μικροδομής του αίματος για διάφορες αιμοδυναμικές συνθήκες και τέλος, όποτε είναι δυνατόν, προτείνονται αλγεβρικές συσχετίσεις που προέρχονται από τις μη γραμμικές παλινδρομήσεις πάνω στα δεδομένα της παραμετρικής μελέτης. Καταληκτικά αναφέρεται ότι όχι μόνο τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας είναι σε ποιοτική συμφωνία με το προαναφερθέν θεωρητικό πλαίσιο, αλλά εκτός από αυτό, η ποσοτική σύγκριση φανερώνει ότι τα αποτελέσματα είναι σε συμφωνία με τα λίγα διαθέσιμα δεδομένα προς σύγκριση που υπάρχουν στην βιβλιογραφία [1], [4].
Appears in Collections:Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
3D Simulation of Blood Flow in the Microcirculation.pdf7.5 MBAdobe PDFView/Open


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