CFD modeling of multiphase blood flow under body acceleration

Abstract

Bu tezde, vücut ivme altında iken iki gerçekçi koroner damar üzerindeki, iki fazlı, Newton tipi olmayan, darbeli kan akışının bir HAD incelemesi sunulmuştur. Önerilen HAD modeli Ansys FLUENT v17 programı kullanılarak geliştirilmiştir. Zamandan bağımsız düzenli darbeli basınç profili, sürükleme modeli, viskozite ve vücut üzerindeki periyodik ivme, kullanıcı tanımlı fonksiyonlar yardımı ile HAD programına eklenmiştir. Vücut ivmelenme etkisi ve insan koroner damarı içindeki her fazın akım davranışını tanımlamak için sıvı-sıvı akışları için kullanılan bir Euler yaklaşımı uygulanmıştır. Kan iki fazlı kabul edilmiştir. Fazlardan biri plazma, diğeri ise kırmızı kan hücreleri olarak kabul edilmiştir.İvmelenmenin etkisinin modellenmesi ve analizi için iki farklı damar kullanılmıştır. İlk önce bir sağ koroner damar (RCA) üzerinde periyodik vücut ivme etkisi incelenmiştir. Buradaki ana hedef, gerçekçi bir RCA üzerindeki maksimum ve minimum kavisler üzerinde kırmızı kan hücrelerinin duvar kayma gerilmesi, hacim oranı, gerilme oranı ve viskozitesi gibi hemodinamik parametreler üzerinde periyodik vücut ivmelenmesinin etkisini araştırmaktır. Ardından, gerçekçi bir sol koroner damar (LCA) üzerinde periyodik vücut ivme etkisi incelenmiştir. Buradaki amaç ise, LCA'nin çatallanma bölgeleri üzerinde, RCA ile aynı hemodinamik parametrelerin periyodik vücut ivmelenmesinden nasıl etkilendiğini araştırmaktır. Genellikle, RCA ve LCA üzerindeki HAD simülasyon sonuçları periyodik vücut ivmelenmesinin hemodinamik parametreler üzerinde önemli bir rol oynadığını göstermiştir. İvmenin genliği artırıldığında, duvar kayma gerilmesi (WSS), geniş ve dar açılı kavis olan bölgelerin iç tarafında artmıştır. Kavis içindeki WSS, kavis dışındakine göre daha yüksek olarak bulunmuş ve bu iki değerin oranının 3 ila 5 arasında olduğu gözlemlenmiştir. Akışın çatallandığı bölge civarındaki dar açılı bölgede WSS öncelikle azalmış ve daha sonra biraz yükselmiştir. Geniş açılı bölgede ise yüksek WSS değerleri artmıştır. Ancak, çatallanma etrafındaki WSS'in maksimum değerinde düşme gözlemlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Darbeli basınç akışı, Newton tipi olmayan, iki fazlı akış, kan akışı, periyodik ivme, hemodinamik parametreler, sağ koroner damar, sol koroner damar

A CFD modeling investigation of the two-phase, non-Newtonian pulsatile blood flow for two realistic coronary arteries under body acceleration is presented in this thesis. The proposed CFD model is developed by using Ansys FLUENT v17 program. The unsteady pulsatile pressure profile, drag model, viscosity, and periodic body acceleration are implemented into CFD code by means of the user define functions (UDF) in the present investigation. An Eulerian-Eulerian two-fluid approach has been adopted to simulate the effect of body acceleration and describe flow behavior of each phase inside a human coronary artery. Blood is accepted two-phase; one phase is plasma, and the other is red blood cell.The modeling and analysis of the effect of acceleration are realized for two different arteries. Firstly, the effect of periodic body acceleration in a right coronary artery (RCA) is investigated. The main goal is to obtain the impact of acceleration on the hemodynamics factors of two-phase non-Newtonian blood flow such as wall shear stress, volume fraction, strain rate, and viscosity of the red blood cell (RBC) for the maximum and minimum curvatures of the realistic RCA. Then, the blood flow through the realistic left coronary artery (LCA) is investigated. The objective is to investigate the effect of the periodic body acceleration on the same hemodynamics parameters with the RCA for the bifurcation regions of LCA. Generally, the CFD simulation results for both RCA and LCA case studies indicated that periodic body acceleration plays a significant role on the hemodynamic parameters. By increasing amplitude of acceleration, the wall shear stress (WSS) increased in the inner side of the curvatures having the obtuse angle and the acute angle around the curvatures. The WSS on the inside curvature is higher than on the outside curvature. The ratio of the WSS in the inside curvature to WSS in the outside curvature is about in the range of 3 and 5. The WSS around the flow divider, firstly, declined, and then, slightly raised to high WSS values at the acute angle branch side of the divider, and giving rise to high WSS values at the obtuse angle branch side of the divider. However, the maximum value of the WSS around bifurcation decreased.Key Words: Pulsatile pressure flow, non-Newtonian, two-phase, blood flow, periodic body acceleration, hemodynamic parameters, Right Coronary Artery (RCA), Left Coronary Artery (LCA)