Τριδιάστατη υπολογιστική προσομοίωση της παλλόμενης αιματικής ροής στην καρωτιδική διακλάδωση - Πάγκαλος, Χρήστος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Βιορευστομηχανικής και Βιοϊατρικής Τεχνολογίας, 2016)
Στην παρούσα εργασία, προσεγγίζεται η παλλόμενη αιματική ροή στην ανθρώπινη καρωτιδική διακλάδωση, κάνοντας χρήση του υπολογιστικού προγράμματος Ansys 17. Χρησιμοποιείται τριδιάστατη ρεαλιστική γεωμετρία με άκαμπτο τοίχωμα. Δεν υπάρχουν συμμετρίες και η διάμετρος μεταβάλλεται κατά μήκος του αγγείου. Εμφανίζονται περίπλοκες διατομές και έτσι μπορούμε να μελετήσουμε τα φαινόμενα της ροής χωρίς να «κρύβονται» ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά, όπως συμβαίνει στις απλοποιημένες γεωμετρίες. Το αίμα μοντελοποιείται ως ασυμπίεστο ρευστό, τόσο ως Νευτώνειο όσο και ως Μη-Νευτώνειο και γίνεται σύγκριση των διαφορετικών αποτελεσμάτων. Το περίπλοκο πεδίο ροής στην καρωτιδική διακλάδωση ενδείκνυται για τη σύγκριση Νευτώνειου και μη Νευτώνειου μοντέλου για το ιξώδες του αίματος, καθώς περιοχές με υψηλούς ρυθμούς διάτμησης (περιοχές με μεγάλες κλίσεις ταχύτητας, high velocity gradients) εμφανίζονται κοντά σε περιοχές με στάσιμη ή διαχωρισμένη ροή (περιοχές χαμηλών ρυθμών διάτμησης). Η σύγκριση γίνεται μεταξύ μιας σταθερής τιμής αναφοράς για το ιξώδες του αίματος, μNEWTONIAN = 0.035 Poisse και του μοντέλου Carreau με χαρακτηριστικές τιμές από τη βιβλιογραφία. Η προσομοίωση στον υπολογιστή βασίζεται στην επίλυση των μη μόνιμων, τριδιάστατων εξισώσεων Navier-Stokes (N/S) για ασυμπίεστο Νευτώνειο και Μη Νευτώνειο ρευστό. Το δύσκολο αυτό εγχείρημα γίνεται με τη βοήθεια του Ansys Fluent, το οποίο χρησιμοποιεί τη μέθοδο των πεπερασμένων όγκων για την επίλυση των εξισώσεων. Οι εξισώσεις N/S ισχύουν για κάθε τύπο ροής. Για να δώσουν λύση για την αιματική ροή σε συγκεκριμένο σύστημα πρέπει να ορισθούν οι οριακές συνθήκες. Οι οριακές συνθήκες που εισήχθησαν στο πρόβλημα είναι μεταβαλλόμενη ταχύτητα στην είσοδο και σταθερή πίεση στην έξοδο, ενώ στο τοίχωμα ορίστηκε συνθήκη μη ολίσθησης. Η εργασία ασχολείται με τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών της ροής και των διατμητικών τάσεων στην ανθρώπινη καρωτιδική διακλάδωση (carotid artery bifurcation) όπου εμφανίζονται συχνά αθηροσκληρωτικές βλάβες. Υπολογίζονται οι ταχύτητες (αξονική, ακτινική), και περιοχές ανακυκλοφορίας σε συγκεκριμένα επίπεδα της αρτηρίας, οι διατμητικές τάσεις σε χαρακτηριστικά σημεία πάνω στο τοίχωμα της, καθώς και η πίεση στο τοίχωμα της αρτηρίας, κατά τη διάρκεια του καρδιακού παλμού. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια συνοπτική ανασκόπηση του κυκλοφορικού συστήματος του ανθρώπου. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται οι βασικοί νόμοι της μηχανικής των ρευστών που διέπουν το πρόβλημα. Στη συνέχεια, στο τρίτο κεφάλαιο, γίνεται περιγραφή της καρδιάς και των αγγείων του ανθρώπινου οργανισμού, ενώ στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται τα χαρακτηριστικά του αίματος. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή της καρωτιδικής διακλάδωσης, καθώς και της αθηροσκλήρωσης, μιας νόσου των αρτηριών στην οποία η διακλάδωση είναι ιδιαίτερα επιρρεπής. Ακόμα γίνεται σύνδεση των αιμοδυναμικών παραγόντων με τη νόσο. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διαδικασία επίλυσης του προβλήματος με τη χρήση του προγράμματος Ansys. Περιγράφεται η διαδικασία και παρουσιάζονται οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα με πίνακες, διαγράμματα καθώς και φωτογραφίες από το πρόγραμμα. Τέλος, στο όγδοο κεφάλαιο σχολιάζονται τα αποτελέσματα που βρέθηκαν και προτείνονται βελτιώσεις της προσομοίωσης.