Search

Stimulated by a recent controversy regarding pressure drops predicted in a giant aneurysm with a proximal stenosis, the present study sought to assess variability in the prediction of pressures and flow by a wide variety of research groups. In phase I, lumen geometry, flow rates, and fluid properties were specified, leaving each research group to choose their solver, discretization, and solution strategies. Variability was assessed by having each group interpolate their results onto a standardized mesh and centerline. For phase II, a physical model of the geometry was constructed, from which pressure and flow rates were measured. Groups repeated their simulations using a geometry reconstructed from a micro-computed tomography (CT) scan of the physical model with the measured flow rates and fluid properties. Phase I results from 25 groups demonstrated remarkable consistency in the pressure patterns, with the majority predicting peak systolic pressure drops within 8% of each other. Aneurysm sac flow patterns were more variable with only a few groups reporting peak systolic flow instabilities owing to their use of high temporal resolutions. Variability for phase II was comparable, and the median predicted pressure drops were within a few millimeters of mercury of the measured values but only after accounting for submillimeter errors in the reconstruction of the life-sized flow model from micro-CT. In summary, pressure can be predicted with consistency by CFD across a wide range of solvers and solution strategies, but this may not hold true for specific flow patterns or derived quantities. Future challenges are needed and should focus on hemodynamic quantities thought to be of clinical interest.

La reologia de la sang (hemoreología) exerceix un ppel important en la perforació de teixits i l'alteració de les seves condicions fisiològiques és gairebé sempre la principal causa de patologies cardiovasculars. Per tant, l'estudi dels perfils de velocitat i l'esforç de tall de la sang al llarg de micro-venes és important en la investigació de malalties cardiovasculars. Recents avenços en organs-on-a-chip remarquen la possibilitat d'usar lung-on-a-xips el qual ha estat desenvolupat per reemplaçar les funcions respiratòries de l'home en assajos farmaceuticos. S'ha avançat en l'estudi de processos de micro-separació a través de membranes micro-poroses desenvolupant una eina numèrica per modelar el comportaments dels micro-dispositius usant la geometria dels lung-on-a-chip en dues i tres dimensions, on una membrana artificial separa dos canals amb dos diferents fluids i així dos diferents règims de flux. A causa de que és un problema de múltiples escales, el nou codi consisteix d'un model híbrid LBM-FD (Lattice Boltzmann - diferències finites) sobre una malla no uniforme que modela processos de transferència de massa en fluxos no newtonians. El model híbrid LBM-FD va ser usat per estudiar el transport de massa a través d'una membrana hidrofòbica i microporosa ocalizada entre un flux co-corrent passant a través de canals rectangulars, similar als microdispositius usats en el projecte lung-on-a- xip. Estecódigo ha estat usat per fer un estudi paramètric en la recerca de la correlació entre el nombre de Peclet al canal permeat i els processos de transferència de massa a través de la membrana (Sherwood number mitjana ). Les correlacions al microdispositiu bidimensional reprodueix correctament la relació lineal de amb el nombre de porus. Les correlacions mostren un valor de l'exponencial en la llei de potències de 1/3 (el que caracteritza el problema de Graetz-Leveque) de pel que fa a Pe. S'han trobat les correlacions en dues i tres dimensions. En el cas tridimensional es comparen els resultats obtinguts usant el flux del model de la llei de pontencias truncat amb un grau de pseudo-plasticitat de n = 0.7 pel que fa als resultats obtinguts per flux newtonià n = 1. El cas no-newtonià mostra un increment del 5% en la transferència de massa () respecte al cas newtonià. La reología de la sangre (hemoreología) desempeña un papel importante en la perforación de tejidos y la alteración de sus condiciones fisiológicas es casi siempre la principal causa de patologías cardiovasculares. Por lo tanto, el estudio de los perfiles de velocidad y el esfuerzo de corte de la sangre a lo largo de micro-venas es importante en la investigación de enfermedades cardiovasculares. Recientes avances remarcan la posibilidad de usar micro-dispositivos como lung-on-a-chip, el cual ha sido desarrollado para reemplazar las funciones respiratorias del hombre en ensayos farmaceuticos. Se ha avanzado en el estudio de procesos de micro-separación a través de membranas micro-porosas desarrollando una herramienta numérica para modelar el comportamientos de los micro-dispositivos usando la geometría de los lung-on-a-chip en dos y tres dimensiones. Debido a que es un problema de múltiples escalas, el nuevo código consiste de un modelo híbrido LBM-FD (Lattice Boltzmann - Diferencias finitas) sobre una malla no uniforme que modela procesos de transferencia de masa en flujos no Newtonianos. El modelo híbrido LBM-FD fue usado para estudiar el transporte de masa a través de una membrana hidrofóbica y microporosa localizada entre un flujo co-corriente pasando a través de canales rectangulares, similar a los microdispositivos usados en el proyecto lung-on-a-chip. Con este código, un estudio paramétrico en la busqueda de la correlación entre el Peclet en el canal permeado y el Sherwood promedio ha sido realizado. Las correlaciones en el microdispositivo bi-dimensional reproduce correctamente la relación lineal de con el número de poros. Las correlaciones muestran un valor del exponencial en la ley de potencias de 1/3 ( lo que caracteriza el problema de Graetz-Leveque) de con respecto a Pe. Se han hallado las correlaciones en dos y tres dimensiones. En el caso tri-dimensional se comparan los resultados obtenidos usando el flujo del modelo del modelo de la ley de pontencias truncado con un grado de pseudo-plasticidad de n=0.7 con respecto a los resultados obtenidos para flujo Newtoniano n=1. El caso no-Newtoniano muestra un incremento del 5% en la transferencia de masa () con respecto al caso Newtoniano. Blood rheology (haemorheology) plays a key role in tissue perfusion and its alteration from physiological conditions is often the main cause of cardiovascular pathologies. Therefore, the study of blood velocity profiles and wall shear stress distribution along micro-vessels is important in the field of cardiovascular diseases research. Recent advances in organ-on-a-chip highlighted the possibility of using artificial lung-on-chips which have been developed to replace the respiratory functions of the human lungs in pharmaceutical tests. We have expanded the study of micro-separation processes through micro-porous membranes by developing a numerical tool able to model the behavior of lung-on-a-chip micro-devices in both two and three dimensional geometries. As this is a multiscale problem, the new code consists in a hybrid LBM-FD (Lattice Boltzmann - finite difference) model on a non-uniform material grid, that models mass transfer processes in non-Newtonian flows. A part from the validation of the code, results obtained include the correlations of the non-dimensional numbers involved in mass transfer processes and the dependence on porosity, and the study of concentration profiles under steady (pipe flow) and the beginning of the study in non-steady (Womersley flow) conditions. The LBM-FD hybrid model was used to study the mass transport through a hydrophobic micro-porous membrane located in-between a co-current flow passing through rectangular channels, which is similar to the micro-device used in Lung-On-a-Chip research. This code has been used to perform a parametric study to find the empirical correlation between Peclet number in the permeate channel and the mass transfer processes across the membrane which is quantified by mean of Sherwood number. The correlations in the two-dimensional micro-device reproduce correctly the linear scaling law of with the number of pores. The correlations give a power value equal to 1/3 (which characteristic of the Graetz-Leveque problem) for the scaling exponent of the average Sherwood number with Pe. This has been done in 2D and 3D models. In the three-dimensional case, we compared the results obtained using the power-law flow with a shear-thinning degree of n=0.7 against the results obtained using the Newtonian hypothesis (n=1). The non-Newtonian case.

El mètode de Lattice Boltzmann (LBM) es una tècnica computacional de simulació dinàmica de fluids que esta guanyant popularitat degut a les seves propietats inherents: pot treballar amb geometries complexes amb relativa facilitat, es fàcil de implementar computacionalment i pot ser utilitzat de forma efectiva amb eines de alta paralel·lització computacional. Tot i això el mètode encara no està totalment establert en la comunitat cientifica degut a la seva relativa primerenca aparició. Un conegut tòpic que està sota investigació activa és el desenvolupament de condicions de frontera efectives, especialment les no-reflexives. Podem trobar a la literatura diverses propostes de condicions de frontera no-reflexives per LBM. Tot i això, no hi ha massa investigació empresa sobre el impacte físic de utilitzar una condició de frontera reflexiva o no-reflexiva més enllà dels tests de condició de frontera. Per altra banda, el LBM també és capaç de recuperar la equació de transport de advecció-difusió utilitzant un escalar passiu. L'estudi de les plaquetes en la sang és un estudi molt actiu, i una de les tècniques utilitzades en LBM per modelitzar-ne el seu transport es a través de un escalar passiu. Les plaquetes son una peça clau en la coagulacio, que pot arribar a taponar una artèria quan la coagulació passa en una arteria amb arterioesclerosis severa. Les plaquetes també experimenten un moviment lateral cap a les parets, anomenada marginació, que augmenta de forma natural la seva capacitat de coagulació. La memòria de la tesi consisteix en dues parts distingides. Primerament, es presenten els resultats d'un estudi paramètric per analitzar el impacte físic de les reflexions artificials que es produeixen en un flux que passa per un obstacle dins d'un canal. En segon lloc, es desenvolupa un model de transport per a les plaquetes basat en la tècnica de la doble funció de distribució en LBM, es reprodueix el procés de la marginació i es prepara un grup de eines per a desenvolupar un model de creixement que pugui reproduir un episodi de trombosis en una artèria coronaria., l método lattice Boltzmann (LBM) es una técnica de computación dinámica de fluidos (CFD) que está ganando popularidad rápidamente debido a sus inherentes propiedades: trata formas geometricas con relativa facilidad, es computacionalmente fácil de implementar y se puede usar con herramientas de paralelización de forma eficaz. No obstante, este método no está enteramente establecido en la comunidad científica debido a su relativa temprana aparición. Un tema común que aún se encuentra en investigación activa es el estudio y desarrollo de condiciones de frontera efectivas, en especial las no-reflexivas. Se puede encontrat en la literatura varias propuestas de condiciones de frontera no-reflexivas, pero no hay mucha investigación hecha sobre el impacto físico que se genera al condiciones de frontera reflexivas o no-reflexivas mas allá de los test para las condiciones de frontera. Por otra parte, el método de lattice Boltzmann también puede desarrollar simulaciones basadas en la equación de advección-diffusion usando un escalar pasivo. Una temática muy activa que considera esta técnica es el transporte de las plaquetas en la sangre. Ellas son la clave del proceso de coagulación, pueden llegar a taponar una arteria que tenga arterioesclerosis severa. Adicionalmente, las plaquetas presentan un desplazamento lateral espontáneo, llamado marginación, y generan un exceso de concentración de plaquetas cerca de las paredes de la arteria. El reporte de la tesis consiste en dos partes diferenciadas. Primero se presenta un estudio parametrico en el cual se analiza y caracteriza el impacto the las reflexiones producidas en un flujo en un canal con un obstáculo en el medio. Después, se desarrolla un modelo de plaquetas basado en la doble dfunción de distribución y reproducimos el efecto de marginación de las plaquetas. Adicionalmente preparamos un conjunto de herramientas computacionals para desarrollar un modelo de crecimiento que se asemeje a un episodio de trombosis en una arteria coronaria., The lattice Boltzmann method (LBM) is a computational fluid dynamics technique that is rapidly earning popularity due to its inherent properties: it deals with complex geometries with relative ease, it is computationally easy to implement and it can be effectively used with massive parallel computing tools. However, the method is still not entirely established in the scientific community due to its relatively early appearance. One known topic that is still under active research are the study and development of effective boundary conditions, specially non-reflecting ones. We can find on the literature several proposals of non-reflective boundary conditions for LBM. However, there is not much conducted research about the physical impact of using a reflective or a non-reflective approach on a simulation beyond the boundary tests. On the other hand, the LBM is also capable to able to hold the advection-diffusion transport equation by means of a passive scalar. One very active topic is the study of the blood platelet transport. Platelets are the cornerstone of the coagulation and this latter phenomenon can occlude an artery when platelets are activated in an atherosclerotic artery, which is called thrombosis. Platelets also experiment a spontaneous migration, called margination, to the walls that naturally enhance their performance. The thesis report consists on two distinct parts. Firstly, we present the results of a parametric study to analyze the physical impact of the spurious reflections that occur on a flow past a square obstacle in a confined channel. Secondly, we develop a transport model for platelets in the LBM based on the double distribution technique and we reproduce the margination of platelets and we prepare a set of tools to develop a growth model to resemble a thrombosis event in a coronary artery.