biodinamica fluidelor inginerie medicala
-
Upload
popa-popin -
Category
Documents
-
view
247 -
download
2
Transcript of biodinamica fluidelor inginerie medicala
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
1/79
ctf
$ll
t;ufl
le
nsupl.0
0o0s
toi.
ocli
lri
i
enlea
Gr.ivi{e
i,
nr.
132
Soctorl,
Bucuregti
02L402.94.76
sunt
rozorvote
editurii,
CIP
a
Bibliotecii
Na{ionale
a
Rominiei
,uitrelor
cu
f,'LuENT
/DianaBroboan',
Tiberiu
Muntean,
ll[,lon,
-
Bucuregti
:
politehnica
pr"rr,
2005
_
5
vol.
973-7838_06_8
umr.la
?'
:
rvlecanica
fluideror
cu
FLUENT.
Apricafii
in
dinamica
doro*
r Diananrouffi
"c#i"
iolrrrr
Bdran,
corneri.u
Bdlan.
_
20
i
I
.
978-606-s15
_261_8
**
*""
Cdtalin
Mihai
Comeliu
I
j
I
l
I
i
I
I
I
i
.',,,..]
Daniela
DAWD
driana
BUTMALaI
10.03.2011
973-7838-06-s
-
20tt
-
ISBN:
97g-606515-261_8
Preamhul
Volunrul
al ll-lea
al lucrdrii Mecanica
Fluidelor cu FLUENT
este
dedicat
tttrttlOlflr'li
5i
reprezentdrii
curgerilor
fluidelor
vAscoase in
bifurca ii,
cu
npllenptt
ln
biodinamica
fluidelor,
in
particular a
studiului
gi
modeldrii
curgerii
nltrr6olul
llrin
vase
de dimensiuni
medii
9i
mari'
SeOpUl
central
al
acestei
lucriri este
dq
"
pfur""tu
intr.uh
mod
atraAiv
qrl
nCCeSibil
studenlilor
ce
urmeazd
cursuri
de specialitate
in domeniul
ItCntOelluanricii
;i/sau
mecanicii
fluidblor
corporale
[la'nivel
de
lic6nlh
sau
mnstgyat)
principalele metode
de itudiu
9i
investigaliiilumerice
ale,curgerilor
Onngvlne,
Procedurile
se
exemplificd
prin
aplicalii
spbcifice
in ingineria
nteclicalf,l
curgerea
in
bifurcalia
cdrbtidi
9i
artera
corohariani
dinamica
flulclnlui
in
configura
lii
bltVasi,modblarea cur[erii
in
vase
ltenozatelstentatg
Trebuie
menlionat c[
prezenta carte
este
o
continu3re
I
voJumului
pu$icat
la editura
Pofitehnic4
Press in
anul
:2905'
in
pr,imul
volum
s-au
pfozentat
solufiile,
fundamentale
ale
mecanicii
fluidelor
iricomplesibile
pgwtoniene,
in
particular
a sistdmului
de
ecualii
Navier-Stokes,
oblinute
atAt
aualitic
cAt
gi
numeric. in
manualul
precedent s-au
ticut referiri
directe
la
modul
de
accesareia'.comenzilorrdih'codul
FLUENT
gi
s-au
realizat
numeroase
:
exemplificdri
ale
metodologiei
de
oblinere
gi
reprezentare
a soluliilor
numericecor.espunz[toareproblemeianalizate,
Exemplele
ahhlizate
ln
prezenta
lucrare,
nu
urriiArqsc
familiarizarea
studentulqi
cu,programul
FLUENT
9i
nici
fixarea
cunogtinlelor
fundarqentale
de
mecanic4
fluidelor.
Cazqrile
ttatate; in
vplurnul
II
sur.rt
aplicalii
numerice
ale
mecanicii fluidelor
in
medicind
gi pun
in evidenfi
importanla
CFD
(Computational
Fluid
Dynamics)
ca
procedurd
pentru
investigalii
practice
intr-un
{omeniu
actual
de mare
importanfi:
ingineria
medicald
9i
clinici.
.
Un
studiu
complet al
curgerilor
sangvine
reale este dificil
de realizat.
Sdngele
este
un fluid
complex
in care
se manifesti toate
caracteristicile
reologice
,ale
acestei
categorii de
materiale:
viScoielasticitate
[dependenfa
tensiJnii
din fluid
de
irtoria
migcdrii),
pseudo-plasticitate
[viscozitate
dependentl
de viteza de
def'orrnalie);
6ei6m.gelritate;
tixotropie
fdependenga
in tirnp
a
proprietililor
de
material).
Curgerile
sangvine
sunt nepermanente
9i
se realizeazii
in
configUralii
3D
bbnrpticate,ldomeniul
de
curgerd'fiind
de
multe
ori
variabil
in timp
(vasele
de
sAnge fiind
deformabile).
in
general,
curgerea
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
2/79
tvtst ;t"r
t
uGct
J
t
Lt
telc
lar
ell
IL
a
E
N,l,
sangel*i
se
consiclcrf,
ranrinarh,
fnsfi
sunt
5i
zone
(ve'tricurur
stang,
aorta)
rn
0flr0
migcarea
este
turbulenta,
o
simurare
numericd
r'
care
toate
earacteris[icile
menfio'ate
sd
fie
implementate
coresounra,o.
nu
este
inci
realizabild,
putrine
centre
;tiinfifice
din
lume
avand
tu;.;;;*
potenlialul
de
a efectua
modeldri
CFD
apropiate
cazurilor
reale.
in
lucrare
simuririle
numerice
sunt
efectuate
cu
fluide
newtoniene
sau
ncwronian
generalizate
in
condifli
izoterme,
domeniile
a"
.rrg"."
";;;;il;
ixe (tn
majoritatea
cazurilor
configuragiile
sunt
3ot;
;;
;;;*,?";;;,.rr"."
aplicapii
care
trateazi
curgere"
g"r,ro-"rorugi#,-in
';;i;
'.;;;;i
";i;;
cleformabil
(corespunzitor
unui
domeniu
,o"rt"i
."
;;
i]j#;.#;
curgeriiJ'
Fluidele
forosite
in
simurdri
,un,
,"aii
.ontinu"-oro;;;";,;;,;;r;
pi
incompresibile,
densitatea
masicd
p
fiind
.onrr"rr,a
irr;;;"Jil;;i-*]f,;
s-a
pus
accentur
pe
obginerea
unor sorulii
,,"gionrr"-"i"lo,",n"r"i
de
ecuatii
Navier-Stokes
[migcare
laminard),
Oa,
se
pr"rinte
U,
."r",1"r#;
ffi;:T
n
artera
coronari.
Bineingeres,
materialul
conlinut
in
volumul
II
are'
un. pronunfat
caracter
didactic
gi
formativ;
exemplele
investigate
,unt
inra
o
etapi
indispensabild
in
procesur
de
obgineru
a
sotu;iito?;6;;
adevdrat
ut'e
pentru
sirnularea
gi
modelarea
curgerilor
r"nr;,oa
O";;",
,;;r;il:;
vederea
optimizirii
protocoalelor
pre_operatoiii.
Menlionim
c5
toate
sorufiire
numerice
prezentate
sunt
obfinute
de
autorii
lucririi,
articolere
gi
cdr ile
citate
fiind
,"n,nutut"
in
not"
de
subsor
Ia
paginile
respective.
Excepfie
face
capitolur"
1,
in
care
se
revdd
succint
conceptere
fundamentare
de
mecanica
fluidelor,
unde
bibliografia
este
trecuti
Ia
final.
capitorul
2
este
dedicat
modeldrii
reologice
a
sangerui
gi
a
impricafi'or
pe
care
diferite
relalii
constitutive
le pot
avea
asupra
calcurelor
nurn".i."
ip,
configuralii
comprexe.
Av6nd
in
vedere
dific'rtatea
cuplirii
unor
rn_odere
cu
un program
numeric
IFLUENT-uI
nu
"
d""uortat
pani
in
un
cod
specializat
pe
aceste
aplicafii),
prezentarea
".*
**i,
i"
unui
model
newtonian
g"nu."tir"i
tin
purai.u-#n'oou,u,
carreau_
pentru
datere
experimentale
obfinute
au
uu,o.i'.-"'
^^"
capitorur
3
este
dedicat
simurdrii
unor
probleme
de
dinamicd
locard,
pentru
inferegerea;i
analiza
curger'or
,n
;il;;ilcomprexe;
stabilizarea
profirurui
de
vitezi
ra
intrarea
in
conductd,
[iiJ
simurarea
secundare,
[iii)
curgerea
la
schimbdri
brugte
a"
ar*.r,Jg;;-*,
ltreamltul
tlvl
gnnllzn
dlnanrieii
ln
vccinfrl;atca
puncfului
elo
dcsprinderc,
Acccntul sc
ll11u
p0
cnleulul
cfortului
de
frecare la
perete pi
a
cloterminirrii
cinematicii ht
'tutrttlO
Unele
acesta
este
nul-
Este
aplicalia
cea mai inrportantfi
ln
Ittrttttttllnnmlca
vasclor
medii
9i
mari.
ln Capltolul
4
se investigheaz6.
curgerea
laminard
lntr-o bifurcafie,
ln
lll'{} 40nllil
bylrass-ului,
a stenozei
gi
a stentului'
Cnpitolele
5
gi
6 analizeazd,
curgerile
in
configuralii
similare
arterei
l,Hf(ll,lflo
5l
arterei
coronariene
stAngi
(ambele
fiind
afectate
de stenoze)'
in
t,Fl'rul
Stuellului
arterei
carotide
se fac
comparalii intre
soluliile
numerice
ttlt lttttto
5l
vizualizirile
curgerilor
reale
realizate
in laboratorul
REOROM'
{ittt,14OfOn
ln artera
coronari
este investigatd
exclusiv
numeric.
Se modeleazd
rftttttl
COnfiguralii
spaliale
ale
bifurcaliei trunchiului principal,
curgerile
dtlflll'rnlJo
fiind
permanente
sau/;i
pulsatorii. Investigaliile
sunt
axate
pe
llrtltIllrOn
influenlei
gradului
de stenozare
asupra spectrului
curgerii in
zona
ItllitleLrl:lci
analizate
gi
a repartiliei
debitului.
Capitolul
7 este
dedicat
oblinerii
unei solulii
nurrr.-erice
a migcdrii
lltrklUlul
lntr-un
domeniu
cu
pereli
deformabili,
aplicalia
fiind
direcfionati
tllllro
glmularea
curgerii
gastro-esofagiene'
Rezultatele
prezentate
in
Mecanica
Fluidelor
cu FLUEllf
-
volumul
II
au
I'Oel
pargial oblinute
in
cadrul contractelor
de cercetare
[CARDIOCOMP,
NANQINT,
ENDONERD,
3DDTI) derulate
in
perioads
2005'2010
in cadrul
grUpqlui REOROM
-
Departamentul
de Bloinginerie
9i
Biotehnologie
(DBB),
Unlversitatea
Politehnica
Bucuregti.
Cu
aceasti
ocazie,
autorii aduc
mullumili
absolvenlilor
masteratului
Cle
Inginerie
Medicali
si
Clinicd din
cadrul
.DBB
pentm
consultanla
de
Specialitate
acordatdl
meflic
fenisa
Elena
Minculescu
qi
m'edic
Nic
Claudiu
Dt'dgotoiu.
in
timiiul
redactirii
manuscrisului'
airtgrii'
au
benefioiat
de
recomanddrile
valoroaiej
gi
obserValiile
perlipente
'ale
celor doi
referenfi:
Prof,
dr. ing.
Alexandru
Morega
(directorul
Departamentului
de Bioinginerie
gi
Biotehnologie
din
UPBJ
9i
dr. ingi
Tiberiu
Birbat
[director
Virtual
ING,
Specialist
in codul
numeric
FLUENT
9i
expert
consultant
P,entru
grupul
REOROM),
cirora
le aducem
pe
aceastS
cale
mullurniri
pentru munca depus6.
Bucuregti,
201-1
Autorii
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
3/79
spectrul
curgerii
dezvoltate
intr-o
bifurca(ie,
in
prezenfa
stenozei
(solufie
sta{ionari
3D, Re
=
400).
1,
Elemente
de
cinematica
9i
dinamica
fluidelor
Itt
cele
ce
urmeazl,
prin
t
se
va
nota
timpul
curent,
prin
{
timpul
vnrlnllll
(#sf
),tountimpintermediarfixat,
f,otimpuldereferinli,
4o
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
4/79
M ecanica
fluidelor
cu
FLU
ENT
la timpul
trecut,
S
1,, ntat
profilul
de
vitezl
[respectiv
viteza
maximd
in
axa
conductei),
cAt
9i
efortul
de
frecare
la
peretele
conductei
IWSS
-
WaII
Shear.Sfress),
rdmAn
constante.
De
asemenea,
pentru
trn
profil de
viteze
uni-direcfional
stabilizat
v*(r),
72
=
yz
*
22,
componentele
de
viteze
v,
$i
uz
[care
genereazd
curgerea
secundard,
respectiv
curgerea
intr-un
plan
normal
la direclia
de
curgere
principali
0x)
devin
nule.
Din
pdcate,
in majoritatea
cazurilor
intAlnite
in
practica medicald
geometriile
vaselor
gi
bifurcagiilor
sunt
complicate,
cu
noduri
de
bifurcalie
Ipropiate.
in consecin 5,
chiar
dacd
numerele
Reynolds
corespund
domeniului
migcirii
laminaie,
este
pulin
probabil
ca
distribulia
de
viteza
si
fie
"stabilizati"
la
in-trare
in
secliunile
de
interes.
Exceplii
fac
vasele
de
sange
foarte
mici,
respectiv
capilare,
unde
numdrul
Reynolds
este
sub-unitar,
curgerea
pistrAndu-gi
in
acest
caz
struqtura
laminari
'9i
in
configuralii
geometrice
comPlexe'
CIur.gerlle
socundnro
eloflnite
nntsrlor
lru
apar
lltllllfll
lil
il'Io(lulsilrett
rrrillunu
cre
eursere
ilil
;;;i
nnnltznt)'
I 1Ti,:*1:lPil:3i1ff:ff".:';.
ffiffi;;;*d.";"
lt"u-"t"
Revnolds
medii
gimari
[Ra>
10)'
ill1ill[l;ffi;ri'i';ic
este
curseren
hrtr-un
cot
ciricular,
prezontnL
t*
Fis'
il,5r
eonflgurapie
,,dominant6"
in
liern'di'amica
regelelor
sangvine'
curgorile
tH0unelilre
sunt
asociate
cu
rotalia
fluidului
ce
apare
aval
de cot,
tn
iurul
axei
tlnll'll;e
cle
curgerea
frincip*a
1ce
coincide
cu
axa
de
simetrie
a
conductei
t,*rll0),
Distribugiile
rrirti.ita$i
9ia
helicitilii
urmiresc
in acest
caz
topologia
llttlllor
ele
curent
secundare'
v' Fig'
3'5'
ln
Fig'
3'6
este
sirnutratd
curgerea
3D
la
schimb".l"^l
brusc5
a
directiei
tlo
ettrsere
si
a secgiuil;;;;;;'"
imodi-fica1ei:t'ty']f:nd
determinatd
cle
r
n'0z0r1ia
un
ei
sten
oz;;
;;
t;'-":""
":*:'
:1t:.1 :i
::,t ;"ff
nea
curgerilor
.
W.
curgerea
@.
PrinciPali
ar
tk##
curgerea
secundard
I
--7-
+l-
-
\
-\.-
d)
cH curbl
la
Re
=
100
(unghiul
cotului
"rL
a"
90o si
diametrul
conductei
este
de 20
mm);
aJ
traiectorii
$i
distribulia
de
pr"ri"r"
-
,our "r"u
principali;
b)
reprezentarea.
curgerii
secundare
aval
de
cou
ij aiririU"fi"
liniilor
ae vArtel
constant;
d)
distribulia
liniilor
de helicitate
constantS.
t
---frffiilF]fi
prez+fa
stenozei,
sttttt
Xffi
..ir";,f
,ffi
",i"1'::'#il;'}l#or"'"r';"*);;"p;;;;eucurgortt
aval
de
stendzd 9i
aistriffia
"-f""urii
de
frecaqe
ia
peretdie'
stenozei;
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
18/79
40
Mecanlea
J'luldelor
cu
FLU tiN'f
Tipurile
de
curgere
menlionate
se
pot exemplifica
urmirind
hemodinamica
arterei
aorte, v. Fig,
3.7. Diametrul
normal
al
aortei
este
in
jur
de
30
mm,
vitezele
medii
ale sAngelui
la ie9ire
din
ventriculul
stAng
sunt
in
intervalui
0.25
50
[v.
Fig.
4.10).
in
acest
domeniu
de
curgere
Valori
minime
ale
efortului
de
frecare
la
perete
[zone
marcdte)
Dlnnnttctr/lttldalu,
fir
vrco
sqyy@
rya\
Hxlskl
posibilitatea
apnl'llrlol
mnl
nlultlor
puncte
,j01.0,
Fe
peretele
optls
inLrtrlrlt
Is,
v,
Fig'
zl,tL,
7L
critico,
de
efort
tangential
Flgura
4,10
Distribulia
traiectoriilor
in
geometria
cu
bypass
[grefSJ
Ia
Re
=
1"00:
n)
distribulia
traiectoiilo;;iliin""t1
te?iun;
b)
curgeri
secu.ndare
(pozilionarea
iy-ffiil;;"rpri"J"*
n
este
in
sranga
u*"i'duii,n"tiie
a
grefeiJ;
fluid
newtonian'
ittlgcare
3D
Permanenti'
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
35/79
72
Mecanica
fluidelor
cu
FLUENT
13*
Figura4.llstructuracurgeriiinplanmeditinlaRe=10;iRe=100;configuraliecu
bypass,
miscare
n..rn"nl,,1ititliq
*y.':lltJ,l-:lll::3;::t::::{::lill"ilil:
flX,ffi#HH";ffi;;-*iJ
""i',a
posibiritatea
apariliei
a doui
sau
mai
rnulte
puncte
de
separate
(in
funcgie
de
nymdrul
de vdrteiuri
create).
in
cazurile
reprezentate
debitul
iniri
in
conducta
princpali
numai
prin blypass
-
I:'
ramurile
Ir
$i
Iz
fiind
inchise.
Distribuliilecalculatealeefortuluidefrecare;ipresiuniilaperete,
pentru
Re
=
100
[intrare
normali
9i
intrare
cu
bypass)'
sunt
reprezentate
in
Fig.A.LZ.Cum
este
deagteptat
mgdiiicarile
sunt
remarcfite,llat
din
punct de
vedere
calitativ
cat
9i
cantitativ.
Este
evident
ci,introducerea
grefei
Va
av:a
implicaliimajoreinhidrodinamicalocald,deciinaintedeintervenlia
chirurgicali
sunt
indicate
modellri
cFD
ale
diferitelor
variante
constructive'
astfel
incat
si
se
poatd
optimiza
actul
operatoriu
fprin
folosirea
celei
mai
indicate
solulii
constructive
de anastomoz5+)'
ffiufuuonaImodeIsofaruertaI Iownnrlnlnosl;femsport,
lonrrrre notcs, CISM
Uclitto,
Dtnnntlea,finltlslor
tn
u-lqe
sglryIn:
mo"
t6
-E-
normal
-^-
bypass
(0
&
o.oo
X
a
fi
E
1_inle
pelete
[ml
Flgura
4.tz
Distribuliile
14
pu'"'"'
in lungul
direcliei
curgerii
principali;L::tliillil*l
flrecare
[wsSx)
;i
u
p."'it'lii;n*"
g"o'iut'i"
tt'
bypass
in
clzrf
r11crt
[lnlrare
',
lg
inchisdJ
#ffi;lliulu
o11i*
G-n
'ar"
tra'
'
inchisi)'
simulhrile
3D
,iolionut"
sunt
realizate
la
Re
=
1-00'
v'
Fig'
4'11-'
in
Fig'
4.1-3
se
analizeazd-curgerel
in
vbcinitatea
punctului
critic
A
a
unuifluidtipCarreau'Diferenlelenu.suntmalorefalSdecazulnewtoniandin
fig,
4.L0,
avhnd
in
vedere
ci
numdrul
R9Vnold1.
cot":Oll:-U:"t
viscozit5lii
406
;?;
;;;;;lia
ordin
de
mrrime
valorii
curserii
newtoniene'
Investigaliileprezentateinacest.capitolseincadreaz5in.domeniulcFD,
ettaplicagiiinuioainamicigiirrsirnularqacurgerilordeintereschirurgical.
AvAndinvedere.ap,"p"i*arileviscoelastice(nenewtonieneJalesAngeluinrt
eunt importante
in
curgerilece
au
loc
in
vasele-
sangvile
mari
[datoritft
Vll;czelormarideforfecare),caracterulpulsatoriualcurgeriinefiindlnnrulfe
enzuri
relevant,
soluliile''
newton-iene
stalionare
reproduc
cu
o
bunfi
nproximalie
cazurile
rlale.
Hemodinamica
vasefor
medii
9i
mari
esLe
cloel
tlomeniulCFDcelmaiactivinbioinginerie,cuperspectiveconcreteln
dozvoltarea
tehnicii
medicale.
Direcliiie
urirour.
din
acest
domeniu
se axeflzll
poimplementareamodelelorturbulenteincalculhemodinamic,lnspocln)
g0ncl
acesta
se
proceseazi
in
geometrii
3D
complicate'
unde
valoarea
niunarutui
Reynolds
critic
este
reclusf,'
;6t,,&-q6T;id-dit
o,
fi
'
oifo.ba
o,bo
o,be
o,to
0,12
o'14
0'16
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
36/79
F
E
b
N
*
-
-
^
O
H
35
mmHg),
indici
disfunclii
ale
sfincterului
ce
pot
conduce
la
aparilia
boliirde reflux,
fiind
asociat6
in
anumite condigii
gi cu
afecliunea
Barrettr.
Figura
7.1. Evolugia
fenomenului
de refluxa.
2Biancani
P.,
Zabinski
M.P.,
Behar
J.
lg7s)
pressure,
tension,
andfoice
of
closure
of the
human
lower esophageal
sphincter
and
esophagus.
f.
Clinical
Investigation
56,'476-
483.
K. R. Haylett
K.R.
(2000)
oesophageal
motility:
A study
of
the transport
mechanism
of
the
oesophagus
using
fluoromanometry,
nonlinear
analysis
and
oesophageal
modelling.
PhD
thesis.
University
of
Manchester
3R,
Madanick
R., N. Shaheen
N.
(2007)
Is
Intestinal
Metaplasia
at the
Gast;raosophageal
Junction
Really Barrett's
Esophagus?
Current
GERD
Report
sj",
1,87
*LtlB,
rCanadian
Digestive
Health
Foundation
GERD
*
Oastroesophn1gofl|
IltJfhlx
Dlscase,
0akville
-
Canada,
www,CDI-lF,ca
M o
d el ar e s
h
I
el
r a cl
lna
ntic
d a
feno
m
enului d
o r
efl ux
g
a
sl:r
o
-
e
s
ofag i a n
1.3 I
Neglijarea
afecfiunii
GER
genereazd.
In majoritatea
cazurilor aparil:ie
complicafiilor,
tratamentul ulterior'
implicAnd
folosirea
unor tchttic:
chirurgicale
specificer
[i)
implementarea
unor dispozitive
pentru
reglarea
funcfion[rii
LES;
[iiJ,mqntarea
stent-urilor
pe
esofags;
[iii)
efectuarea
de by'
pass-uri
gastriceo.
Mdsurarea
presiunii
intra-esofagiene
flEP)
gi
a
pH-ului
sunt
determinilr
experimbntale
fundamentale
pentru
stabilirea
;i
diagnosticarea
corectfi
fenomenului
de1;reflqlgSstric
[GER).
Re-f.ftr1ul este inregistrat
cAnd
gradientut
de
'p4esiurle
dintre
stornac
'gi
gsofag,
Ap,
nu
este echilibrat de
tensiunet
generatA
in LES,
aceaste
rnirirne
fiirrd de reguli
considerati egalh cu
presiunea
mdsurati
la
inchiderea
LES
in tlmpul
ingurgitdriiz,
pm.
Bineinlelesr
GER.
este un,proces dinamic
complex
in care
hidrodinamict
bolulul
alirnentar
din stornac
este
completat5r
de migcarea
peristalticH
t
perefilor'
LES
gi.
a
esofagului,
starea
de tensiune,
deformalie
gi
relaxart
musculard
a
LES
'fiind facto,rii determinanfi
in aparilia refluxului
gastro
esofagian.a
I
Din
punct
de vedere
aL calculului
hidrodinamic,
valorile
presiunilo:
Lp,;i:pm
sunt,mdrimi
de ihtrare
fundarnentale,
in lipsa cdrora
nu se
pot
oblint
rezultate
cantitative;'relevalrte;
gipul{rile
fiind limitate
numai la descrieroi
calitativd
a
fenomenului
de reflux.
Misurarea
exactd
in vivo a mdrimilor
Ap
gi pm
este insi
practi
imposibili,
deoardce
ar
implica existenla
unei instalalii
complexe c*tr(
afecteazd,
funclionarea
normali
a
organismului.
sRepici
A.,
Rando
G, (2OAB),
Exp;andable
si,tents
for
malig4apt
dltsphagia.
T
ech.
Gastrointestinal
Endoscopy
10, 175-183.
osmith
S., fdwaidd
C., Goodman
G.'(Igg7)
Symptomatic
and
clinicql improvement
ft
morbidly
obeie
patients
wlth
gastroesophageal reflux diseasd
following
Roux"olt.
gastric
bypasp.O-besity
Surgery 7, +79-484.
zStanciu
C., Hoare
R,C., Bennett
I.R.
(1977)
.Correlqtion
behween
manometric
ancl
1 l
tests
for
gastro-oesophageal
reflux. GUT 18, 536-540.
de Vries'
D.,
van Herwaarden
M., Smout
A., Samsom
M.
[2008J
Gastroesoplmgae
pressure
gradients
in
gastroesophageal
reflux
disease: relations with
hiatal hernlt
body
rnass
index,
and
esophogeal
acid
exposure,
American
J,
Gastroenterolog,
103(6),
L349-I364,
Liang
H,, Chen
f,D,Z,
(2005)
lssossntcnf
o
Lhe
esophageal
pressure
in
gastroeslplmglc
reflux
disease by tiho local rl{yasslan
Annals Biorned.
Eng, 33(6J,
847-853'
sltayler
I{.R., Vales P,, Mce
loy
R,
(U
007)
A
sltnplo
model ol'oesophageal
peristalsis
usln,
c
ellul a r autorm a tu,
U n
I
v
oro I
ty n l' M n n
ch
ns
lor'
ruUlu,ulegleugJilst
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
67/79
M
e
canica
t'luid
elor cu
FLU
IIN'I'
chiar
dacd in prezent
se
folosesc
sonde
(catetoro)
cle
misurd
cu
mici
gi
deosebit
de sensibile,
intervenlia
locald
afecteazd
geometria
LES, fenomenul
de reflux
fiind
astfel
iqfluenpat.
in aceste
condifii,
o diagnosticare
coreiti
a
afecliunii.se
bazeazd pe
a
presiunii
esofagiene.
Forma
acestor
unde
de
defazajul
lor
gi
mdrimea
amplitudinii
sunt indicalii
calitative
care
funclionarea
LES,
gi
implicit
se
pot,
corela
cu
GER.
prelucrarea
inregistrat
de sondele
de presiune
poate,genera
astfel
informafii
in stabilirea
diagnqsticului.
Di
exemplu,
Haylettz.z propune
trasarea
fiecare
punct
monitorizat
i'curbei
parametrice
p'(pJ,
respectiv
dependenla
a presiunii
in funclie de
presiune
[timpul
fiind
in
acest
caz
Aceste
reprezentdri
definesc
sistemul
dinamic analizat
atAt
din
de
vedere
calitativ,
cAt
gi
cantitativ. Forma
curbelor
parametrice
poate
astfel
o
"emblemd"
a
funcfiondrii
[dinamicii)
esofagului,
in
particular
a
gi
in acelagi
timp
o
indicafie
a
prezenfei
fenomenului
GER.
Folosirea
exclusivi
a
mdsurdtorilor
de
presiune
este'insuficienti
insd
un studiu complet
gi
realist al ftrnclionirii
LES,
mai
ales ci obtinerea
expenirnentale
nu se face
printr-o
procedurd
invazivi.
in
u."ut,"nr,
experimentald
a
presiunii
trebuie
si
fie
corelati atAt
cu
imagistice
invazive,
cAt
;i
cu simuldrile
numerice
ale fenomenului
GER.
Modelarea
numerici
a
fenomenului
de
reflux gastro-esofagian
Modelarea
numerici
a
hidrodinamicii
;i
funcgiondrii
LES
implicd
etape:
[i)
construirea
geometriei
ddmeniului, (iiJ
discretizarea
[iii)
rezolvarea,
cuplati
daci
este
posibil,
a ecuafiilor
de
curgere gi
ce
descriu
deformaliile
elastice
ale esofagului.
Din punct
de
vedere
al calculului
numeric,
patru
sunt
dificultdlile
pentru
modelarea
fenomenului
real
de reflux
in
zona
LES:
1. domeniul
de migcare
nu
este fix
in
timp, spaliul
curgerii
fiind
deformabil;
ecualiile
de curgere
sunt cuplate
cu
ecualiile
ce
descriu
comportamentul
elastic
al peretelui
esofagului;
curgerea
este
in
realitate
bifazicd
[lichid
-
gaz),
lichidul
avAnd
un
compOrtament
reologic
cornplex;
2.
J.
4. concli$lilo
rcale
Ia
Iimith sunt
dificil
de
oblinut
experimental
fiind
practic
necunoscute,
Simulirile
prezentate
in
continuare
nu
permit
rezolvarea
simultani
a
acestor
probleme,
insd soluliile
oblinute
au relevanfd
pentru
modelarea
GER
gi
pot
aduce
inforriragii,valoroase
in analiza
hidrodinamicii
locale
LES,
Modelarea
numeric5
[in
geornetrie
2D) a
transportului
bolului alimentar
in zona
LES
si
determinarea
eforturilor normale
gi
tangenliale
la
perete,
luAnd
in
considerare
deformarea esofagului,
sunt
prezentate
in
cAteva lucrdri
de
referintd.s
Coroborafeir intr-un
singur
model de
calcul
3D
[pe
baza
teoriei
elaticitilii
- deformagii finiteJ
a
anatorniei
gi
fiziologiei sfincterului,
in
vederea
determinirii
presiunii
induse
de
contr-acfia
musculari
a
acestuia
frespectiv
TrEs
gi
pm),
necesiti un volum,
mare
de calcul,,in
literatura
de
specialitate
studiile
dedicate
unor
astfel
de
simuldri fiind
intr-un
numdr
redus.10
Lucrarea
,luirMcMahon
et
al;s, este
un exemplu
in
care
tehnica
expefimentali
este folositd pentru
oblinerea
datelor
ini iale
necesare
calculului numerlp
cFD. Pe
baza datelor
FLIPr;fFunctional Lurnen
Imaging
Probe)
se
obline
o
trasare destul
de
pibcisi
a
geometriei
reale in
zona
LES. De
t-
asemenea,
sonda
permite
misurarea
presiunii
in
doud
puncte
[amonte
gi
aval
de
gfinptirJ, ceba
ce
dh
posibilitatea
detdrrnindrii
ciderii
de
presiune
Ap,
Calculelb
din'lucrarea
menlionatd
sunt
e{ectuate
pentru
un
fluid de
lucru
omogen
(,ana),
curgerea
realizAndu-se
sub o
diferenfd de
presiune
de
98L Pa
[=
7
mmHg). Chiar dacd
simuldrile
efectuate
sunt
2D
fmigcare
permanentd,
domeniul nedeformabil,
model turbulent
k-e), rezultatele
[v.
Fig.
7.2) oferd
informalii
relevante
pentru
studiul
fenomenului de
reflux. in
acest
caz, se
observi
asimetria curentului
de
fluid
in zona
esofagului
[aval
de
LESJ,
fenomen
confirmat
de realitate.
Din
punctul
nostru
de
vedere,
detectarea,
simularea
gi
reprezentarea
corectd
a
fenomenului
de reflux
sunt legate
cle
formularea unui'protocol care
si
cuprindi
atat
efectuarea
de mdsurf,tori
in
uivo
[geometrie,
presiune,
pH),
ft
Si
simulSri numerice
CFD.
in
cele ce
Moelaluroa
liltlroellnantlcd
a
fenomenului
de
retlux
gastro"esofctglcut
133
eMcMahon
B.,
Odie
K.,
Moloney
K.,
Gregersen H. (2007)
Computation
of
flow
through
the o e sophag og
astric
j
uncfion,World
J,
Gastroenterology
1 3
(9),
1 3
60-
1
3
64.
Yang W., Fung T,C., Chian
I(,S,,
Chong C,l{.
(2007)
Finite
element
simulation af
food
transport through
the esophageal
body,
World
J,
Gastroenterology
13(9J,
1352-
1359.
loYassi
R,, Cheng
L,K,, Rajagopal
V,,
Nnsh M,P,, Wlnclsor
J,A.,
Pullan
A,l,
(2009)
Modeling
of the
mechanical
tunctlott
o l;ha
hunan
gastrleslphageal
junction
using
an
anatomically realistic thrso.cllmanslonul
moelol,
f
, Blonroch.
tl:Z,
i"60q-L6}g,
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
68/79
Meeilnlea
flulclolor
au t'LU
ENT
urmeazd
se
prezintd
un
prinr
model
axial-simetric
pe
baza
efectua
simul5ri
numerice
are
fenomenului
de
reflux
gastric
distribuliei
eforturilor
hidrodinamice
Ia
peretele
esofagului.
cfiruia
se
pot;
gi
calcularea
I;*:
ffi
0.76
#*
0.n:
l
1iil.65
:,,
:ifl.59
**
tl.:*
'-$:
{1.49
qK
{1.43
l $i,{).BB
j#'
0.12
'lt.z7
.
|ll:il$23
lii {r.16
6f
rr.:"r
ll**
Figura
7.2
Discretizarea
sto{naculuie
gi
a
regiunii
LES[a);
calculul
distribugiei
de
vitezee
in zona
LES
[b).
7.3
curgerea
axial-simetrici
cu
mesh
deformabil
(dinamic)
Modelul
propus
pentru
simularea
hidrodinamicii
asoclatd
refluxului
in
zona
LES
se
bazeaz6,
pe
folosirea
unei
geometrii
axial-simetrice
,"-
^ui
eformabil,
v' Fig.
7.3.
Esofagul gi
stomacul
sunt
considerate
tuburi.rigide,
iar
sfincterul
[pozifionat
intre
esofag
gi
stomac)
este
reprezentat
de
un
perete
curb
deformabil.
Detaliur
mesh-ului
in
zona
derormabile
"r,"
;r;;;;
;
Fig.7'4,ei
in
Tab.
7.L
(comparativ,
mesh-ul
di;";i;;;;iil;.
Hrez'|vrrrLqL
.r
'
Tabelul
7.1
baracteristici
ale
mesh-urui
static,
respectir4
dinamic.
aJ
Mesh
static
Mesh
dinamic
Celule
'PItrate
Triunghiulare
4604
3000
1,604
s494
3000
2+94
Fe
8637
9969
Noduri
4032
4476
scopul principal
al
acestui
model
este
de a
obline
soru;ii
numerice
credibile_pentru
mi;caqea
generati
inir-un
domeniu
deformabil,
prin
aplicarea
la
capetele
domeniului
a unei
diferenle
constante
de
presiune.
se
consideri
ci
migcarea peristaltica
a
LES
[reali
zata prindeformarea
p"."tutuij
,"r."rirr;
"
omponentd
definitorie
in
stabilirea
corectd
a
hidrodinamicii
fenomenului
de
reflux,
in
relafie
directd
cu
mdrimea
;i
varialia
eforturilor
induse
la
peretele
esofagului.
b)
i
E.
ft
c
s
&
Detaliul
b.
It4o
clel eu'aa hltlt'
otl
lnunlcd a
fanornonulul
d
e r
ofl
ux
g
as tro
"
csafng lent
Axi
Perete
Figura
7.3
Geornetria folositi in simularea
niimericd
a hidrodinamicii
LES, Distar
[raza
minim5,,a sfincteruluiJ. se,modificd in timp
conform
unei
funclii
impuse,
Figura 7r4
Discretizarea
(mesh,ul)
geornetrii
din
Fig,
/.3.
Punctele
fixe A
5i
E,
pon
o valoare a cotei /r impuse, sunt
unite
printr-Un
arc de'cerc.
Calculele
sunt efectuate
folosind solverul
laminar
(solufie
Naviof-S[O
subrutina Dynamic Mesh), fluidul de lucru este aer
[consiclcrnf
ZonaIl
frnesh
deforrnabil)
Axi
Perete
Q
-
sfincter
Perete mobil'
-
LES
Distanta h
-
variabili
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
69/79
736
M ecanica
fluidelor
cu
FLU
E
N T
incompresibil),
iar
diferenla
de
presiune
intre
intrare
gi
iegire
este menlinutfi
constantd
(Lp
=
pt
-
po
=
7 Pa,
nurnirul
Reynolds
maxim
atins
in simuldri
fiind
aproximativ
20001.
Rezultatele
obflnute
folosind
mesh-ul
deformabil
sunt
comparate,
pentru
aceleagi
condilii
la limitS
gi
aceeagi geometrie
[aceeagi
valoare a
cotei
h),
cu solufiile
numerice
corespunzdtoare
unui
mesh
static
[migcare
laminari,
nepermanenta,
mdrimile raportate
la
timpul
t
=
0.1-
s).
in
acest
exernplu
s-a
impus
o
deplasare
a
peretelui
mobil
corespunzdtoare
relaliei:
h(t)
:
1
*
B0.r
[mm],
unde
timpul
f variazd
in
domeniul
fe[0,0.05J
ms.
calculele
urmiresc punerea
in
evidenld
a
diferenlelor
ce apar in
spectrul
curgerii
;i
in
distribulia
eforturilor la perete,
intre
geometria
cu
mesh deformabil
gi
cea
cu mesh
rigid.
comparaliile
se
efectueazd
la
timpii
t
=
0,
10
ms,
30
ms
gi
50
ms, respectiv
ht
=
I mm,
hz=
7.8
mm, ft3
=
3.4 mm
gi
h4
=
5
mm.
Etapele
de iniliere
a
calculelor
numerice
efectuate
se
prezintd
succint
in continuare.
Pentru
mesh-ul
static
se alege
solverul
Ilnsteady
=
2nd-)rder
Implicit
Condifiile
la
limiti impuse
sunt;
aderenli
la
perefi, presiunea
de
intrare:
,
pintrare
=
1 Pa; controlul
soluliei
gi
impunerea preciziei
de calcul:
E.*t;;*
#
o"*"rp*
i i
euyr-*"5--; i
I
-
Momdntunlo.5
l
|
*t
i;rpo
ti: v
t
ox
I
ru
I
Fmoml
rcar"o
I
roo
I
pasul
de timp ales
este
de 0.0001
s, num5rul
maxim
de itera{ii
impus
pepas
de timp
fiind de 200.
Etape
pentru
oblinerea
solutiilor
cu
mesh
dinamic
Se
citegte
mesh-ul
exportat
din
GAMBIT (Modelul
este ZD
axial
-
simetric)
;
File/Read/case/
Se
verifici
mesh-ul in FLUENT:
Grid/Check
Pentru
informafii
cu
privire
la refeaua
de
calcul (numir
de
olcrnente,
felul
lor, noduri,
zone):
Grid/lnfo/Size
se
transformi
in
sI
dimensiunile
geometriei,
dacfi
oil fl rosl
c0tte
trultfi
ln
alte unitdfi. de
misurd: Grid/Scale
2.
3.
6.
7.
Maclalaroa hltlradlnamtoil
a
fenomenului
de
ref'lux
gasvo'esoIag\an
1i
5.
Se alege SOIVERUL
(ln
acest
caz
Ilnsteady,
T st'Order
Impltcttlt
Define/Models/Solver
I
,1
In
continuare
este
prezentat
programul
utilizatl
#include
"udf.h"
#include
"dynamesh-tools,h"
#define
ymm 0.001
#define
dk
0.08
#define
a
0.05
#define
b 0,08
#define
capr
0,01
DEFIN
E*GRID-M
OTION(sfl nctor,clont0
I n,tl
t,tl
nro,tltlnto)
Se
alege
materialul
din
baza
de date
a
FLUENT-ului;
in acest
caz
materialul
este
aerul:
Define/Materials
Se
introduce,
cu
aiutorul
UDF'ului
(Ilser
Dffied
Function),
programul
scris
in limb qiul
C
pentru
perete;mobil-sfincter
J
F creen{aues
Ccll Bascd
i
G
creen4nuss
Node Eosed
l
j;'n,
:lu$ilsis.qu:nrDs
C tll.Bn-$4ii
Le_sllg
p
\
9.s-ofl
c
-
s au.-jlqg
-'lt
s
eg4gca:
. q
i
Fuh.rion,
'
I
tnk,prEkd,..
Fundicn
Hook .,, I
comPed
kcuteod
Demind."
'
Manaqe,,,
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
70/79
138
M
e canica
fluidelor
cu
FLU
E
N
T
{
face-t f;
Thread
*tf
=
DT_THREAD(dIJ;
int
n;
Node
*v;
real
x,
ymc,
capa, xprim;
sET_DEFORMrNG_THREAD_FLAG(THREAD_T0
(tf)J
;
begin_f_loop(f,tfJ
{
i-node-loopfftf;nJ
{
v
=
F*NODE(f,trnJ;
if
[No
D E_PoS_N EED_UP
DATE
[vJ J
{
NODE_PoS_UPDATED(vJ;
x=NODE_X(vJi
t
xprim=x-0.5*[a+bJ;
ymc
=
)rmm
+dk*time;
capa
=
4*[capr-yrncJ/
((a-b]
*(a-b)J;
NODE-Y(vJ
=
capa*xprim*xprim+yrnc
;
)
)
Update-Face-Metrics (f,tf)
;
'I
T
end-f-loop[f,tfJ
;
)
8. Se
selecteazi
opfiunea
de Dpamic
Mesh
gi
se
aleg
parametrii
corespunzitori metodelor
Smoothing gi
Remeshing):
D efin
e
/
Dy
n a
mi
c
M esh/
P ar am e te
r s
,p.{'l
o,d
I
irhFl
nilhLl u +
|
tkdi
|
Modolaraa hlril'otllnamlcd
a
fenomenului
de
reflux
gastra-esofaglan
lH'irri*;i'iiiiriJii;;iil ffiiUfr
;ii'irir'
:rlEflflI
9.
Se
pu4celelalte
coniti{ii
la
liinitft
'Defi?te/Boundary
Conditions/
Se
selecteazi fiecare
elenient.'de la:Zone-si
aDoi se
apasi
pe
Set
10"
Se ale$
parametrii
gi
schemele
pentru
cgntrolul solufiei
S alvl
/
C o
ntr
o
l,/
S
o
luti
n
s
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
71/79
140
n4ecanica
fluidelor
cu FLUENT
11.
Se
ini{ializeazd
problema:
Solve/Initalize/Initialize
12.
Se aleg
criteriul
gi precizia de convergenti:
13.
Se salveazi
cazul:
File/Write/Cas
14.
Se salveazi
autornat
cazurile
gi
datele
(pentru
cazurile
unsteady):
File/Write/Autosave/
15.
Se incep
calculele:
Solve/Iterate
16. Dupa
terminarea
calculelor
gi
aiungerea
la convergonldr
s-0
vlzttnllzeazi
rezultatele
(viteze,
presiuni,
eforturi
de
frecnro
otc,)
eu
flfutorul
op{iunilor
DisPIaY
gi
PIot.
Debifoletranspoltatelatirrrpiimenlionaliprinsecliuniledecontrol
ale
sfincterului
,uni
prezentate
in
Tab,
7.L.
Clderile
de
presiunCI
corespunzStoare
zonelor
delimitate
in
Fig'
7'3
[stomac
-
sfincter
-
esofag)
sunt
date
inTab.T
'2'
Iirlacl alnrofl
htrlt'orllnnntte(t
a
lenornenutut
de
rellux
gastY9sylhgjffi-
14,'t
t
[ms]'i
Prgsiunea
[Pa]
0.o
Esbfag
0,0
+0,26
Sfincter
0.26+0.7
Stomac
0.7+1
1,0
Esofag 0.0+0,14
Sfincter
0.14+0.9
Stomac
0.9+1
30
Esofag
0.0+0.22
Sfincter
0.22+O.84
Stomac
0.84+1
50
,
Esofag
0.0+0.27
Sfincter.
0.27+O.79
Stomac
0,79+'J"
inFig.7.5;iFig.7'6seprezintddistribuliadepresiuni'respeetiv'
traiectoriilo.,
oo*p"ro:rru
p"ntt"
rnesh-ul
static
[fix)
9i
mesh'ul
defor'rnbl
i;;;;t.
ilferenlele
sunt
remarcabile,
ln
special
in
spectrul
traiectoriilo
.irespectlv
al
topologiei
vArtejurilor),
amonte-
de
'o. ^
ingusLd
(cnr
.or"rpund"
sfincterulii).
Diferengele
din
spectrul
curgerii
se regAsesc
$l
i
diferengele
inregistrate
intre
distribuliile
de
eforturi
la
peretele
esofagului'
Tabelul
7.tr
Repartiliil
d"bitetor,0
[kg/s]
prin
cele
3
secliuni
de-control
din
zona
i#.i"i.rri*Fis:'";
a.t;;;r
"-;
i'ai.X
rupi"r
cd deb*ul
iese
din
volumul
de
controlJ'
'
in
secliunile
clc
Tabelul
7.2
Vatialia
in
timp
a
domeniilor
de
presiune
inregistrate
-O.726 e:-05
-
4.17
e-05
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
72/79
1.42
Mecanica
fluidelor
cu
FLU E
N'l'
In Fig.
7.7
gi
Fig.
7.8 sunt
prezentate
rezultatele
numericc
pentru
distribuliile
de
presiune,
respectiv eforturi
tangenliale,
pentru
cele
doui
mesh-uri
folosite.
Analiza comparativd
a rezultatelor
evidenliazi diferenle semnificative
intre distribuliile
eforturilor
pentru
un mesh fix
gi
unul deformabil.
Dinamica
sfincterului
este. deci determinanti in stabilirea
distribuliilor de eforturi la
peretele
esofagului,
deci
gi
a
proceselor
inflamatorii ce au loc in
urma
refl uxului
gastro-esofagian.
Figura 7.5 Distribuliile liniilor izobare corespunzitoare
diferitelor
(v.
Fig. 7.3),
pentru
un mesh
fix (staticJ gi
solulia
pentru
mosh ul
fdinamic).
Solugiile
corespunzitoare
mesh-ului static
sullt 0bl:lnut0
nepermanent
la timpul t
=
0.L s.
clistange
/r
doformabil
eu
solverul
Mo rlalen ou
hltlrorl lncnnlcd
a
lenomenului
de
ref'lux
g
ast:ro-
esolag
lan
Dinamic
Figura
7.6 Distribuliile traiectoriilor corespunzitoare diferitelor
clislant
(v.
Fig,
7.3J,
pentru
un mesh fix
fstatic)
gi
solulia
pentru
mesh-ul
dinamic. Sol,
corespunzdtoare mesh-ului static sunL obginute
cu solverul nepermanent
la tlt
t= 0.1
s,
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
73/79
1,44
M
o
c
anl
a
f'lttt
eI o
r c
u I{,
U{ry
.
-*Mesh Dinamlc
.
-Meshstatic
,.
L
1.0"j
*
I
-.-
i'
0.s_i
','lI
1
n*i
o.z,l
I
l
I
o'oi
i
-0.2
i
?
g1
q
c
o
..r.r::r:iii:iilll,;:"**-*il
\i
"zoRal,
I
zqnall
oilo
'
o,ol
o.bz
o:ti:
0'04
0.0s
0'06
0'07
0'08
1.0
0.8
0.6
0.4
o.2
Perets
fmlnl
0.02
0,03
0.04
0'05
Perete
lrnlnl
?
6
o
E
6"
0.0
,a.2
-0.4
-0.6
0,00
0.01
A.
d.
U
o
1.0
0.8
0.6
0.4
0_?
0,0
-0.2
-0.4
-0.6
Figura
7.7
Distribuliile
de
presiune
pe
peretele
sfincterului
9i
a
.esofagului
[mesh
static
;i
dinamic),
.or",pt'n'itoare
pentru
mesh-ul
dinamic
la timpii
de
10
ms'
30'ms
gi
50
ms.
r;r
t'*ftd
i
zona
ll
ffiT;''
o.bz
o.b:
o,b+
o'irs
0'06
o'07
o'og
F
q)
P
o
h
0)
rg).
d
6
X
"(d
(.)
L
(6
o
0)
.E
()
p
o
?-
0.00
-
o
H
-o.ot-
o.
's
.E
-0.02
"x
6
OJ
k -0.03
o
o',
L
E.-o,o+
5
u
*{
,
$
-o.o5
0.02
0.00
-0.02
-0.04
.0:06
-0'08
.0.10
zona
III
0.10
0.lz
Figura
7.8
Distribufiile
etortulul^{e
fre915-
axial
la
perete
pe
cele
doufr
ut'
corespunzdto"".
rr*prti'iri
.tt0
;;
si
50
ms
pentru
mesh-ul
dinamic'
zonal
i
zona
lI
0.02
0.d4
,0.06
Perete
[1nJ
-".
--
o.ol
s(h
=
1,8
mm)
* r-
0.03
s
[]r,=
3.4
mm)
-'-
O.qS
s
th
=
5.0
mmJ
,l
zona
Il
0,04
0.06
Perete
[rn]
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
74/79
Xfiecanica
fluidelor
cu FLUENT
Concluzii
in
acest
capitol
s-a
modelat
o componentd
importanti
a fenomenului
de
gastro-esofagian reprezentati
de curgerea
in
prezenla
dilatirii
dintre
stomac
gi
esofag.
Migcarea
nestalionard
analizati
este
de condilii
la
limita
constante
[respectiv,
presiunile la
intrare
9i
din domeniul
migcdriiJ,
domeniul
de migcare
fiind dependent
de timp.
Simularea
numerici
sebazeaz6.
pe
subrutina
Dynamic
Mesh,
migcarea
considerati
axial-simetricd,
laminard,
izocord
gi
izotermi'
Analiza
a
cu
precddere
punerea
in
evidenld
a
diferenlei
distribuliilor
de
eforturi
;i
eforturi
de frecare)
la
pereli,
intre cazul
unui
mesh
fix
9i
unul
fin
ambele
simuliri
s-a folosit
solverul
nestalionar)'
intre
cele
doud
cazuri
se remarci
diferenle majore
atAt
calitative,
cAt
gi
Datoriti
aportului
de debit
in domeniul
deforrnabil,
debitul
spre
esofag
este mai
mic,
in consecinli'numirul
Reynolds
este mai
deci
curgerea
este
lipsitd
de vArtejuri.
Corespunzitor,
diferenlele
dintre
distribuliile
de
presiune sunt majore,
irt cazul
mesh-ului
static
depresiune
in
zona
ingustatd.
Eforturile
de
frecare
fpe
axiali)
diferi
mai
ales cantitativ,
in
cazul mesh-ului
deformabil
acestuia
fiind
in zona
sfincterului
la.
jumdtate
fa15 de
valorile
pentru mesh:ul
fix.
Evident,
rezultatele
nu reprezint5
un model
realist
pentru
curgerea
stomac
gi
esofag,
cu atat
mai mult
pentru
reprezentarea
fenomenului
de
gastro-esofagian.
Prezentele
simulSri
numerice
confin
insi
o
definitorie
a procesului dinamic
considerat,
respectiv
curgerea
domeniu
deformabil.
Aceasti
etapi
este deosebit
de
importanti
in
unei
proceduri complete
de
calcul al fenomenului
fizic investigat,
in
datele
experimentale
[monito
rizate
in
vivo) si fie
direct
implementate'
Din
punct
de
vedere
al
calculului
numeric,
urmdtoarea
'etapi
este
unei
geometrii 3D cAt
mai
apropiate de
rgalitate,
stabilirea
zonelor
mesh-deformabil
gi
evaluarea
timpului
de
calcul necesar
pentru
obginerea
solugii
corespunzitoare
[calibratd
folosind
datele
achizilionate
in vivo)'
Preproceqorul
GAMBtrT
este
prograpul
CAD
specializat
pentru
GeomCItria2Dffi;nllz0tilprinaSamblareaelomenuclor
-,-l
-t
-
-^
'.*^r
r..l
ANEXA
Preprocesorgl
GAMBIT
9i
codul
FTUENT
-
notiuni
introductive
Geometria
sau
mesh-ul
i
A
GAMBIT
. .
-
realizarea
geometriei
- generare
mesh-uri
2Dl3D
Mesh 2D sau 3D
^Alte
soft-uri
CAD/CAE
Mesh
Pe
granile
9i/sau
14
volum
TGRID
'mesh
2D
triunghiular
-
mesh
3D
tetraedral
-
mesh
2D
sau
3D
hibrid
clefi'irc
tn
programr
ptuitio,
iriif
r' nifrrntul'o
plnlir, vglume,
grtrpuri
cle
corpurl'
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
75/79
Mecaniaa
tlutdelor
cu
FLAIINT
Anexh
rVersteeg
H.K., Malalasekera W,
(1995)
Att
lnl;roduct:ilt1
to
computational
fluid
dynamics. The
finite
volunte
mal;hld, Longntnn $clcntlllc&Technical,
[ssex,
England,
Ferziger
J,H.,
Peric
M,
(1999J
ClnlpLttul;l(ntal motlrccl
lor fluld
dynamics,
Springor,
Berlin.
Chung
T.f ,
(2
0
03
J
Computa
tlonal
flnlcl
elynnnt I w, Cautb
rtclgc Unlv, Pross,
2*'r1*
FLUENT
6.3 Doc,
(2006)
Fluont
lncorpornlorl,
l,ol')finon, Now
lJampshiro.
1,49
l
;ru4ry[--
linii
puncte
suprafete
plane
volume
grupuri
de
corpuri'
?D
Ccil
Ttj{t[
AN
riangle
euadrilareral
3D
Cell
Types
1\ r#
v
l{--12
Tetrahedron
Hsahedron
wsffi
risrdWedge p'Iarnid
polyhedron
Tipuri
de
celule
2D gi
3D
Metoda volumelor
finite
(FVM)
este
o metodd numorici
pentrur
rezolvarea
ecuafiilor
cu
derivate
parliale
(eliptice, parabolice
sau
hiperbolice),
Similar cu metoda difefenlelor
finite sau
metoda
elen:rentului finit,
ln
FVM
valorile
funcliilor
necunosbule:sunt
calgulate in
puncte
spaliale,
nodurile
de
calcul
[ce
"l.5tuiur.
grid-ulJ
fiind de
aceastd
datd localizate in
centrul
volumului de
control
("volum
finit"J.
Geometria de
calcul discretizatd tn
GAMtsIT
este
aladtuitd
prin
asarnblalea uhor
relele,
de
astfel
de
volume
[domenii),
punctele
(nodurile)
care definesc
geometric
suprafefele/volumele
nefiind identice
cu
nddurile
de calcul. ln rnetoda volLmelor finite ecualiile
de
transport
(mas5,
impUls,,eneigieJ
se
scriu
sub
formi integral5
pe
domeniul de
calcul
(reprezentat
de
fiecare volum
finit in
parte).
Integralele de volum
gi
integralele
de
suprafagd
rezultate sirnt aproximate.numeric
(integralele
de
suprafa 5
fiind
evaluate ca
fluxuri
prin
suprafelele de control ce
definesc
volurnul
,finrQ,
singurul
punct
in care vallorile
funcfiilor necunoscute sunt
calculate fiind
nbdtrl behtral: Ddbarece fluxul, care
intri
intr-un volum
dat este
identic
cq
cel care
iese
din
celulele
[votumelbl
aaiacerite, FVM
este
consideratd
o metoda conservativdr.
Ecualiile
de
transport
utilizate
in codul
FLUENT
pentru
simularea
numeripd
a fnomenele;rde
cutggre
su4 :
gqua{rfl
de
continuitate,
ecualia
de
migcare
fNavier-Stokes,
caz
particular)
;i
ecualia
conservirii
energiei.
Aceste
relagii
de
transport
se
pot completa
cu termeni sursd sau se
pot
cupla cu
alte
ecualii
de
tip
reacfie-difuziez. Softul FLUENT realizeazd,simuliri in configurafii
2D
gi.3D
ale rnigcdiilor.Fgrirranenlg
sap neperman,ente,
pentru
fluide
newtoniene
sau
newtonian
generalizate.
De asemenea,
codul
are
irnplementdte
metodd
de solugionare a,qur,ger"ilol'mtrltifazice
[de
exemplu
.rnetodaVOF),
a
curgerilor
compresibile
;ilsau
in
prezeXla
reacliilor
chimice,
a
curgerilor
turbulbnte,gi
a
celor neizoterrne.
'
;
nohro
J
Scate
geometrice
translata,
roti.
x&,
l
l
Fiir.
.
rY{I$r$i,
& xl
Realizarea
mesh-ului
se
face
pe
muchii,
fefe,
volume
sau
in
stratul
limiti
Stabilirea
tipurilor
de
limite
i
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
76/79
Mecanlca
fluldelar
nt
pLA
ENT
unui
caz
rulat
in
FLUENT
se
deschide
FLUENT-ur
in
configuralia
doriti
(2d,2ddp,3d
sau
3ddp);
Se
citegte
mesh_ul
exportat
Ain
CelAetf:
File/Read/Case
Se
verificd
mesh-ul:
Gridy'Check
se
acceseazd
comandaGridflnfo/s:ize
pentru
aavea
inforrnafii
despre
numdrul
de
eremenre,
ferul
lor
9i
in
cate
zone
este
t*oi.r,ii,""1*.rr,
Grid/lnfo/Zones
se
transformd
dimensiunile
geometriei
in
sI
[{hca
ea
a
fost
constrtriti
i
in
GAMBIT
in
alte
unitdli
de
misuri):
Grid/Scale
Se
alege
solverul:
Define/Models/Solver
Anexd
lSt
Modek
50llenu
Multiphdse,,,
Enngy.,
isrou:,u
Ridibridn,,,
I
;.{pe.ie
I
.
Ei+rete
bha*.,.
Solidikatipn
&:1r,{elting-
Chebki
Checki
Check
Checl
in
cazul rnodeldrii
purgerilor
polifazicq'se
accerqgzi
opliunea
Multiphase
Model
[in
care
se
alege
naetoda de
calcul, nurndrul
de faze
etc)
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
77/79
rtJtLt.rlvtat
bLI
I'Luulv
l.
alege
nroclclul
de
viscozitate
curgere
ramrinarir?
eJine/Moders/vrscous
iar pentru
curgere
se
arege
unur
dinlnoa.r [
pr r.ntate
rn
continuare;
penrru
ideal
Inviscidse
alege,
zE
bazai
0,,
a
FluENr-urui,
rie
clefineste
un
nou
materiar.
pentru
, ;;;,il,J
illirl'Xi ll
se
acceseazd
opfiunea
viscosiitygi
rerafia
imprementatd
in
sau
UDF-ur
(nser
Definen
,*tiirin
care
s-a
definit
moderul
condifiilor
la
limitd
pentru
intrarg
iegire,
nuiaut
de
lucru,
Define/Boundary
Conditions/
AuBxll
Perelii
geometriei
pot fi
ficgi
lstatianary
WaII)
saumobili
(Moving
WalI)
i-0.
Se
fixeazaschemele
de
rezolvare
gi
factorii
de
relaxare
pentru
solufie.
SeinilializeazS.problemagisealegecriteriuldeconvergenli[precizia
by
default
implementati
in
FLUENT
este
de
1g-e
;
se
recomandi
> 10-s)
set...
I
copy...i
c19 1
HqlP
1
11.
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
78/79
L2'
se
incepe
calculul
propriu-zis
prin
coman
da:
solve/lterate
Pasul de
timp
se
poate
alege:
.
fix
[Fixed)
adaptiv
(Adaptive)
variabil
(Variable)
unui
pas
de
timp
se
fixeazd
in
funclie
atat
de
valoarea
timpurui
aracteristic
asociat
fenomenurui
tranzient.unru"ua,
.],
l,
,riun.r,"
de
pasul
J:etei
de
carcur,
respectiv
re.i;;;-;r"ro.
fu;;;i;"';;,
ares
sd
fie
.'
o
p"'inu*
*
o"'o
,e;;;;;;ga'di,t"ns"
dintre
Anoxfi
13,
Dacfi sCI
d0l'0$t0
er'ont'cn do llttll
6l
planc
suplimentare
pe
care sd se
reprezinte
solttylllo
obllttute
$e accoseazd
comanda Suffice
t
Surface
/
Lin e
/
Rake sau Sutface
/
Plane
l-4.
Pentru
vizualizarea rezultatelor
[post-procesare)
se
folosesc
.
comenzile:
Dtsplay,/Contours/Prbssuie, VeIocity,...Dtsplay/Vectors
Display
Fathlines
... Plot/Velocitlt/
il
"rn""
defaurt-tnterlor:016
ddFault-idteriori0ll
derault-tnterior:hol
'defaur -interior
.
tesirerl
la5iae-2
Ferete-1-aual
perete-1-rtontq
pofot.-st.nDza
pal
rrtrid-i
flutd-stend2a
5hdr1 cohductldo iones,
r4adlng 'I:\cordnar_de
pe deskr
one.
x+{::i*11.
..
d$elsiionxY.pld
;,'*i:
':-
:
:.,:::)1::
y;
;;;,;;11;11
1;,,
Odtions
1']7'
NodrvaluGs
r
ll?
Pditiqnbnxaxi;.
I
]-- Es :ri"i*
i,n''a'$$*
ll:
Wilrrq
Fire
Lbod Flle...
I
lesire-z
lnt,arc
llnlc-nErete-tolal
p-1
at'z
rl
ro'*.1-,ilt$|*l
lulrr
I
155
-
7/25/2019 biodinamica fluidelor inginerie medicala
79/79
156
Mecanica
fluidelor
cu FLUENT
15. Verificanea
ecualiei de continuitate
[se
verifici
daci debitul rnasic
de
la intrare
este
egal cu
cel
de
la iegireJ;
Report/Flux/Mass
FIow
Rqte
Daci se
doregte
reprezentarea
unor
funclii
rezultate
din combinalia
mirimilor
calculate
by default
se
acceseazi
comand
a Define/custom
Field
Function
Calculator.