Computational study in fluid mechanics of bio-inspired geometries: constricted channel and paediatric ventricular assist device (2018)
- Authors:
- Autor USP: ISLER, JOÃO ANDERSON - EP
- Unidade: EP
- Sigla do Departamento: PME
- Subjects: BIOENGENHARIA; VENTRÍCULO CARDÍACO; DISPOSITIVOS E INSTRUMENTOS MÉDICOS; MECÂNICA DOS FLUÍDOS COMPUTACIONAL; ESCOAMENTO
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: Modelagem e simulação numéricas são ferramentas poderosas para análise e design, e com a melhoria do poder computacional e dos métodos numéricos, eles estão sendo aplicados em fenômenos e sistemas complexos. Este trabalho mostra exemplos de aplicações de um método numérico sofisticado, o método dos elementos espectrais/hp, no estudo do escoamento dentro de geometrias complexas bio-inspiradas. Os dois tópicos investigados são: instabilidades em dinâmica de fluido em um canal constrito e o escoamento dentro de um dispositivo de assistência ventricular pediátrica. O canal constrito é um modelo idealizado de uma cavidade nasal, que é caracterizada por canais complexos da via aérea, e também tem semelhança com uma artéria humana na presença de placas ateroscleróticas. O dispositivo de assistência ventricular pediátrica é um dispositivo real, projetado pelo grupo de pesquisa de Bioengenharia do Instituto do Coração da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo, que funciona como uma bomba que auxilia o ventrículo esquerdo dos pacientes à espera de transplante. Portanto, o objetivo desta tese é contribuir na compreensão de escoamentos em geometrias biológicas e bio-inspiradas, usando ferramentas computacionais. Análises de estabilidade linear e não linear foram feitas para um canal constrito. Três diferentes regimes de escoamento foram empregados: escoamento estacionário simétrico, que é estável para baixo número de Reynolds, escoamento assimétrico, o qual é resultado da primeira bifurcação do escoamento simétrico e escoamento pulsátil. Análise de estabilidade direta foi executada para determinar as regiões instáveis em cada regime de escoamento. Os mecanismos físicos por trás do processo de transição foram estudados por meio de simulação numérica direta para caracterizar asbifurcações. Uma vez que, as bifurcações tiveram um comportamento subcrítico, a relevância do crescimento não normal nestes escoamentos foi avaliado. Assim, dependência com a fase, número de Reynolds e número de onda do modo tridimensional foram extensivamente investigados em regiões estáveis para os três regimes de escoamento. Instabilidades convectivas foram também estudadas a fim de compreender os mecanismos físicos que conduzem os modos ótimos para seus crescimentos máximos, e diferentes mecanismos convectivos foram encontrados. O escoamento dentro do dispositivo de assistência ventricular pediátrico foi analisado por meios de simulações numéricas tridimensionais. Um modelo computacional baseado em condições de contorno especiais foi desenvolvido para modelar o escoamento pulsátil. Neste modelo, a abertura e fechamento da válvula mitral e diafragma foram representados com o uso de condições de contorno especialmente elaboradas. A força motora e o direcionamento do fluxo do diafragma foram definidos por uma distribuição de velocidades na parede do diafragma, e a abertura e fechamento da válvula mitral foram executadas por uma função de onda de velocidade que vai a zero no período sistólico. Padrões do escoamento, campos de velocidade e tensão de cisalhamento no tempo foram analisadas para avaliar o desempenho do dispositivo.
- Imprenta:
- Data da defesa: 17.04.2018
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ABNT
ISLER, João Anderson. Computational study in fluid mechanics of bio-inspired geometries: constricted channel and paediatric ventricular assist device. 2018. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2018. Disponível em: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-18072018-140712/. Acesso em: 19 abr. 2024. -
APA
Isler, J. A. (2018). Computational study in fluid mechanics of bio-inspired geometries: constricted channel and paediatric ventricular assist device (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. Recuperado de http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-18072018-140712/ -
NLM
Isler JA. Computational study in fluid mechanics of bio-inspired geometries: constricted channel and paediatric ventricular assist device [Internet]. 2018 ;[citado 2024 abr. 19 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-18072018-140712/ -
Vancouver
Isler JA. Computational study in fluid mechanics of bio-inspired geometries: constricted channel and paediatric ventricular assist device [Internet]. 2018 ;[citado 2024 abr. 19 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-18072018-140712/ - Linear stability analysis and transient growth in steady and pulsatile flows in a constricted channel
- Transition mechanisms of pulsatile flow in a constricted channel
- Special boundary conditions for modeling diaphragm motion and mitral valve
- Bifurcations and convective instabilities of steady flows in a constricted channel
- Convective instability and transient growth in steady and pulsatile flows in a constricted channel
- Computational fluid dynamics of a pediatric ventricular assist device
- Computation of sensitivity derivatives for pediatric ventricular assist device using the adjoint method
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