Víceškálové modelování pulzačního proudění krve v reálných modelech velkých cév

Bc. Pavla HOVORKOVÁ

Master's thesis

Abstract:

Předkládaná diplomová práce je zaměřena na víceškálové modelování pulzačního proudění krve v reálném modelu velkých cév složeného z aortálního oblouku a přidružených středně velkých tepen postižených aterosklerózou. Pro dosažení fyziologicky korektních okrajových podmínek jsou na vstupu a výstupech 3D modelu aplikovány 0D modely levé části srdce a periferní cirkulace ve dvou různých variantách. Krev je v celé práci modelována jako nestlačitelná newtonská kapalina, jejíž proudění v 3D modelu cév je popsáno nelineárním systémem Navierových-Stokesových rovnic řešeným pomocí výpočtového programu Ansys Fluent v17.0. Pro lepší pochopení principu 0D modelů proudění krve je část práce věnována jejich popisu s tím, že možnosti jejich aplikace v úlohách kardiovaskulární biomechaniky jsou demonstrovány na jednoduchém uzavřeném modelu oběhové soustavy. Ten je dále pro potřeby této práce modifikován na otevřený model se čtyřprvkovým, resp. tříprvkovým Windkessel modelem. Numerická řešení všech tří variant oběhové soustavy jsou realizována ve výpočetním prostředí programu Matlab. Závěry vyvozené ze získaných výsledků jsou dále užity pro víceškálové modelování hemodynamiky v modelu velkých cév, kde jsou analyzovány tři různé varianty okrajových podmínek: klasická varianta s předepsaným průtočným množstvím na vzestupné aortě a dvě varianty s otevřeným, resp. uzavřeným 0D modelem oběhové soustavy. Získané numerické výsledky v podobě křivek průtočného množství a tlaku na jednotlivých částech 3D modelu velkých cév jsou analyzovány a vzájemně porovnány.

Abstract:

The thesis is aimed at the multiscale modelling of pulsatile blood flow in a patient-specific model of large vessels, consisting of the aortic arch and corresponding middle-sized arteries damaged by atherosclerosis. To be able to perform simulations for physiologically correct values of boundary conditions, two different 0D blood flow models for the heart and the peripheral circulation are coupled to the inlet and outlets of the 3D model. The blood is modelled as an incompressible Newtonian fluid, whose motion in the patient-specific vascular model is governed by the non-linear system of Navier-Stokes equations. In this thesis, this system of equations is solved using the computational software Ansys Fluent v17.0. To be able to better understand the principle of 0D blood flow models, a part of the work is devoted to their description and application in cardiovascular problems as later on demonstrated for a simple closed-loop 0D cardiovascular system model. For the purpose of the work, this closed-loop model is further modified to two open versions with either the four-element or three-element Windkessel model representing the peripheral circulation. The numerical solution of all three cardiovascular system models is carried out in the software Matlab. Observations made on the basis of the obtained results are then used for the multiscale approach in the patient-specific model of large arteries. In this case, three different types of boundary conditions are considered: the classic one when a given inlet flow rate waveform is prescribed and the open- and closed-loop cardiovascular system models as studied previously. The obtained numerical results in the form of flow rate and pressure waveforms at selected parts of the 3D vascular model are analysed and compared with each other.

Keywords

Reálná geometrie, nestlačitelná newtonská kapalina, Windkessel model, 0D model oběhové soustavy, Ansys Fluent

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 8. 2017

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 29. 8. 2017
• Supervisor: Ing. Alena Jonášová, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Master programme / field:
Computer Modelling in Engineering / Applied Mechanics