%37تخفیف

شبیهسازی عددی تعامل سیال و سازه جریان خون درون شریان ­های کاروتید و کرونری انسان

تعداد150 صفحه  درword

کارشناسی ارشد

در رشته­ی مهندسی مکانیک گرايش تبدیل انرژی

شبیهسازی عددی تعامل سیال و سازه جریان خون درون شریان ­های کاروتید و کرونری انسان

چکيده

هدف از این مطالعه بررسی پاسخ تعامل سیال و سازه به جریان خون غیرنیوتنی درون شریان کرونری راست دارای گرفتگی بعد از جراحی بای­پس و انشعاب شریان کاروتید مختص بیمار به کمک نرم­افزارهای تجاری انسیس فلوئنت و مکانیکال می­باشد.به کمک شکل موج­های سرعت-فشار واقعی اطلاعات ارزشمندی از مشخصه­های جریانی به منظور ارائه درک مناسب از بیماری تصلب شرایین فراهم می­شود. معادلات سیال تراکم­ناپذیر در رژیم جریان آرام ومدل غیرنیوتنی کاریو به وسیله روش حجم محدود و الگوریتم پایه فشاری پیوسته به طور همزمان حل می­شوند. سازه الاستیک خطی تراکم­ناپذیر و همسانگرد جهت مدل­سازی دیواره انعطاف­پذیر شریان و الگوریتم حل تکرار پایه المان محدود برای گسسته­سازی و حل معادله بقای اندازه حرکت انتخاب می­شوند. پیوستگی در سطح مشترک تعامل سیال و سازه به وسیله روش پیوستگی بخشی دو­طرفه و تسریع کننده همگرایی صورت می­پذیرد. دو مسئله جهت اعتبارسنجی مدل جریان نوسانی درون گرفتگی و تعامل سیال و سازه ارائه می­شوند. انبساط دیواره شریان با کاهش سرعت محوری، اندازه تنش برشی دیواره را کاهش می­دهد. اختلاف قابل توجه در تنش برشی دیواره و گرادیان مکانی و زمانی آن بر لزوم شبیه­سازی تعامل سیال و سازه تاکید می­کند. تشکیل ناحیه گردش مجدد جریان و انتقال آن جریان به شدت درهم ریخته­ای را در ناحیه سینوس کاروتید ایجاد و خطر تشکیل پلاک­ها را افزایش می­دهد. بیماری دیابت با افزایش گرادیان مکانی تنش برشی دیواره در زمان اندازه پایین تنش خطر آسیب به سلول­های سطح داخلی شریان را افزایش می­دهد. همچنین، شاخص برش نوسانی در نواحی گردش مجدد جریان در بیماران دیابتی بزرگتر از افراد سالم می­باشد. عمل جراحی بای­پس اگرچه به بازیابی جریان خون کمک شایانی می­کند ولی با ایجاد نواحی گردش مجدد ضمن تغییر الگوی جریان درون شریان میزبان، خطر تشکیل پلاک و آسیب را در نواحی ورودی و خروجی بای­پس افزایش می­دهد. در ناحیه گرفتگی عمل بای­پس با کاستن از گرادیان مکانی تنش برشی دیواره، خطر گرفتگی مجدد را کاهش می­دهد. تشدید گرفتگی با افزایش اندازه تنش برشی دیواره و گرادیان مکانی آن، خطر آسیب به سلول­های اندوتلیوم را افزایش می­دهد. همچنین شکل گرفتگی تاثیری بر پروفیل سرعت در ورودی و خروجی بای­پس و در نتیجه تنش برشی دیواره در این نواحی ندارد. به علاوه، پروفیل سرعت در ناحیه بعد از گرفتگی و اندازه تنش برشی دیواره در دیواره بالایی و پایینی ناحیه گرفتگی به شدت از شکل گرفتگی متاثر می­شوند.

واژه‌هاي كليدي:تعامل سیال و سازه، غیرنیوتنی، جراحی بای­پس، هندسه مختص بیمار، گرفتگی

فهرست مطالب

فصل 1مقدمه 1

1-1 مقدمه 2

1-2 معرفیسیستمگردشخونانسان 4

1-3 آشناییباتصلبشرایین 7

1-4 خون 9

1-4-2 اریتروسیت­هایاگلبول­هایقرمز 10

1-4-3 لکوسیت­هایاگلبول­هایسفید 10

1-4-4 پلاکت­ها 11

1-4-5 پلاسما 11

1-5 رفتارغیرنیوتنی 12

1-5-1 رفتارغیرنیوتنیخون 12

1-5-2 خواصفیزیکیخون 13

1-6 نوسانجریانخون 13

1-6-1 مدل­سازیریاضیجریاننوسانیخون 13

1-6-2 اندازه­گیریتجربیجریاننوسانیخون 13

1-7 هندسهگرفتگی 14

1-8 بیماری­هایتغییردهندهخواصخون: دیابت 15

1-9 مقدمه­ایبرتعاملسیالوسازه 15

1-10 مروریبرفصول 16

فصل 2مروریبرمنابع 17

2-1 مقدمه 18

2-2 تعاریفومفاهیماولیه 18

2-2-1 عددرینولدز 18

2-2-2 تنشبرشیدیواره: گرادیانمکانیوزمانی 19

2-2-3 شاخصبرشنوسانی 20

2-2-4 تعریفمارپیچی 21

2-3 مروریبرادبیاتموضوع 21

2-3-1 مطالعاتاولیهرویجریانخوندرونشریان­هایدارایگرفتگی 22

2-3-2 مطالعاتگذشتهرویجریانخونغیرنیوتنیودیوارهصلب 24

2-3-3 مطالعاتگذشتهرویتعاملسیالوسازه 29

2-4 نتیجه‌گیری 32

فصل 3روشتحقیق 34

3-1 مقدمه 35

3-2 مقدمه­ایبردینامیکسیالاتمحاسباتی 35

3-3 مقدمه­ایبرمکانیکجامداتمحاسباتی 35

3-4 دامنهمحاسباتیسیال 36

3-4-1 قانونبقایجرمومعادلهپیوستگی 36

3-4-2 قانوندومومعادلهبقایاندازهحرکت 36

3-4-3 روشحجممحدود 37

3-5 دامنهمحاسباتیسازه 40

3-5-1 معادلهبقایاندازهحرکتخطی 40

3-5-2 مدلماده: الاستیکخطی 40

3-6 روشتعاملسیالوسازه 41

3-6-2 روشیکپارچه 42

3-6-3 روشبخشی 42

3-6-4 انتخابدستگاهمختصات: فرمولبندیاویلری-لاگرانژی 43

3-6-5 پیوستگییکطرفه 44

3-6-6 پیوستگیدوطرفه 45

3-7 شرایطمرزیسطحمشترک 47

فصل 4بیانمسئله 48

4-1 مقدمه 49

4-2 اعتبارسنجی 49

4-2-1 شبیه­سازیجریاندرونیکلولهدارایگرفتگیملایم 49

4-2-2 جریانحولسیلندرومیلهانعطاف­پذیرمتصلدرونکانال 50

4-3 بیانمسئله 53

4-3-1 هندسهشبیه­سازی 53

4-3-2 خواصمواد 57

4-3-3 شرایطمرزیسیال 59

4-3-4 شرایطمرزیسازه 63

4-3-5 تولیدشبکه 64

4-3-6 روشحلوطرح­هایگسسته­سازی 67

4-3-7 استقلالازشبکه 69

4-3-8 استقلالازگامزمانی 71

فصل 5نتایجوپیشنهادها 73

5-1 مقدمه 74

5-2 انشعابشریانکاروتید 74

5-2-1 تاثیرانعطاف­پذیریدیوارهشریانی 74

5-2-2 تاثیربیماریدیابتوتغییرخواصخون 89

5-3 شریانکرونریراستبههمراهبای­پس 102

5-3-2 تاثیرجراحیبای­پس 103

5-3-3 تاثیرشدتگرفتگی 109

5-3-4 تاثیرشکلگرفتگی 114

5-4 جمع­بندی 119

5-4-1 پيشنهادها 120

مراجع 121

فهرست شکل ها

شکل (1-1) ثبتمرگومیرجمهوریایرلنددرسال 2006،دسته­بندیبراساسدلیلاصلیمرگ]1[ 2

شکل (1-2) شماتیکسیستمگردشخونانسانبانمایشگردشریویوسیستمیک]7[ 4

شکل (1-3) مقایسهسرعتوفشارجریانخوندرونرگ­هایگردشسیستمیکبههمراهسطحموثرکلانتقالمواد]8[ 5

شکل (1-4) دیاگرامیکشریانمعمولبههمراهلایه­هایمختلفبافتسازندهدیوارهشریان]8[ 6

شکل (1-5) تصلبشرایینمتوسطدرونیکشریانکرونریشاملتشکیلپلاکزردرنگدرطولچشمگیریازناحیه]9[ 7

شکل (1-6) نحوهرشدگرفتگیدرونیکشریان]8[ 8

شکل (1-7) ترکیبنمونه­ایازخونانسان]11[ 9

شکل (1-8) نحوهعملکردگلبول­هایقرمز]12[ 10

شکل (1-9) نحوهعملکردگلبول­هایسفید]12[ 11

شکل (1-10) نحوهعملکردپلاسما]12[ 12

شکل (1-11) شکلموجسرعتبرایشریانکرونرراست]15[ 14

شکل (2-1) نمودارتوابعلزجتموثر-نرخبرشبرایمدل­هایمختلفغیرنیوتنی]37[ 24

شکل (3-1) توصیفمسئلهتعاملسیالوسازه]86[ 42

شکل (3-2) روشیکپارچه]89[ 42

شکل (3-3) روشبخشی]89[ 43

شکل (3-4) نگاشتاویلری-لاگرانژیدلخواه]79[ 44

شکل (3-5) فلوچارتپیوستگییکطرفه]89[ 45

شکل (3-6) فلوچارتپیوستگیدوطرفه]89[ 45

شکل (3-7) مکانیزمناپایداریسطحمشترکتعاملسیالوسازه]81[ 46

شکل (4-1) نماییازهندسهگرفتگیوسطحمقطعلوله]64[ 50

شکل (4-2) سرعتمحوریدرخطمرکزیلوله (زمانتنظیمشده) 50

شکل (4-3) نماییازهندسهشبیه­سازیسیلندرومیلهانعطاف­پذیر]94[ 51

شکل (4-4) جابجاییافقیوعمودینقطهمرجع درطولزمانالف) جابجاییافقی،ب) جابجاییعمودی 52

شکل (4-5) شماتیکشریانکاروتیدمشترکچپوراست]96[ 54

شکل (4-6) هندسهانشعابشریانکاروتیدبههمراهانشعاب­هایکاروتیدداخلیوخارجی 54

شکل (4-7) نماییازشریانکرونریراست]98[ 55

شکل (4-8) نماییازهندسهایده­آلشریانکرونریراستبابای­پسمعمول 56

شکل (4-9) نماییازشکلگرفتگیشریانکرونریراست]72[ 56

شکل (4-10) شکلموج­هایالف) سرعتوب) فشاردرشریانکاروتید 61

شکل (4-11) شکلموج­هایالف) سرعتوب) فشاردرشریانکرونریراست 62

شکل (4-12) بلوک­بندیوشبکهتحقیقحاضرالف) انشعابشریانکاروتیدوب) شریانکرونریراستبههمراهبای­پس 65

شکل (4-13) نماییازشبکهسازهتحقیقحاضرالف) دیوارهانشعابشریانکاروتیدوب) دیوارهشریانکرونریراستبههمراهبای­پس 66

شکل (4-14) شماتیکپروژهتعاملسیالوسازه 67

شکل (4-15) بررسیاستقلالازشبکهشریانکاروتید: الف) پروفیلسرعتوب) تنشبرشی 69

شکل (4-16) بررسیاستقلالازشبکهشریانکرونریراست: تنشبرشیدیوارهبالاییشریاناصلیدرناحیهگرفتگی 70% 70

شکل (4-17) بررسیاستقلالازگامزمانیانشعابشریانکاروتید 71

شکل (4-18) بررسیاستقلالازگامزمانیشریانکرونریراستبههمراهبای­پس 72

شکل (5-1) محلاستخراجاطلاعاتموردنیازدرانشعابشریانکاروتیددیوارهالف) خارجیشریانکاروتیدداخلی،ب) پایینسینوسکاروتید،پ) خارجیشریانکاروتیدخارجی،ت) داخلیشریان­هایکاروتیدداخلیوخارجیوث) محلانشعاب 75

شکل (5-2) تغییراتجهتتنشبرشیدیوارهدرطییکسیکلقلبیبرایحالت­هایدیوارهصلبوانعطاف­پذیردیوارهالف) خارجیشریانکاروتیدداخلی،ب) پایینسینوسکاروتید،پ) خارجیشریانکاروتیدخارجی،ت) داخلیشریان­هایکاروتیدداخلیوخارجیوث) محلانشعاب 77

شکل (5-3) تغییراتگرادیانمکانیتنشبرشیدیوارهدرطییکسیکلقلبیبرایحالت­هایدیوارهصلبوانعطاف­پذیردیوارهالف) خارجیشریانکاروتیدداخلی،ب) پایینیسینوسکاروتید،پ) خارجیشریانکاروتیدخارجی،ت) داخلیشریان­هایکاروتیدداخلیوخارجیوث) محلانشعاب 79

شکل (5-4) نرختغییراتگرادیانمکانیتنشبرشیدیوارهدرطییکسیکلقلبیبرایحالت­هایدیوارهصلبوانعطاف­پذیردیوارهالف) خارجیشریانکاروتیدداخلی،ب) پایینسینوسکاروتید،پ) خارجیشریانکاروتیدخارجی،ت) داخلیشریان­هایکاروتیدداخلیوخارجیوث) محلانشعاب 81

شکل (5-5) جریانپیرامونیدرمقطععرضیازسینوسکاروتیددرطییکسیکلقلبیبرایحالت­هایدیوارهصلبوانعطاف­پذیرالف) محلمقطعبرشیب) ،پ) ،ت) ،وج) ……. 83

شکل (5-6) توزیعسرعتدرمقطعافقیازسینوسکاروتیددرطییکسیکلقلبیبرایحالت­هایدیوارهصلبوانعطاف­پذیرالف) محلمقطعبرشیب) ،پ) ،ت) وث) ……. 86

شکل (5-7) خطوطجریاندرونانشعابشریانکاروتیدبرایحالت­هایدیوارهصلبوانعطاف­پذیرالف) ،ب) ،پ) وت)         88

شکل (5-8) تغییراتفشاروسرعتدرطییکسیکلقلبیبرایحالت­هایدیوارهصلبوانعطاف­پذیرالف) محلنمونه­برداریب) فشاروپ) سرعت 89

شکل (5-9) تغییراتجهتتنشبرشیدیوارهدرطییکسیکلقلبیبرایفردسالموبیمارمبتلابهدیابتدیوارهالف) خارجیشریانکاروتیدداخلی،ب) پایینسینوسکاروتید،پ) خارجیشریانکاروتیدخارجی،ت) داخلیشریان­هایکاروتیدداخلیوخارجیوث) محلناحیهانشعاب 91

شکل (5-10) تغییراتگرادیانمکانیتنشبرشیدیوارهدرطییکسیکلقلبیبرایفردسالموبیمارمبتلابهدیابتدیوارهالف) خارجیشریانکاروتیدداخلی،ب) پایینسینوسکاروتید،پ) خارجیشریانکاروتیدخارجی،ت) داخلیشریان­هایکاروتیدداخلیوخارجیوث) محلانشعاب 92

شکل (5-11) توزیعاندازهتنشبرشیدیوارهدرطییکسیکلقلبیبرایفردسالموبیمارمبتلابهدیابتالف) ،ب) وپ) ……. 94

شکل (5-12) سطوحهمسطح  (آبی) و  (نارنجی) درونانشعابشریانکاروتیددرطییکسیکلقلبیبرایفردسالموبیمارمبتلابهدیابتالف) ،ب) ،پ) وت) ……. 95

شکل (5-13) تغییراتفشاروسرعتدرطییکسیکلقلبیبرایفردسالموبیمارمبتلابهدیابتالف) محلنمونه­برداریب) سرعت 96

شکل (5-14) پروفیلسرعتدرمقاطعمختلفیازانشعابشریانکاروتیددرطییکسیکلقلبیبرایفردسالموبیمارمبتلابهدیابتالف) محلنمونه­برداری،ب) خط 1،پ) خط 2،ت) خط 3،ث) خط 4 وج) خط 5 (قسمتصافخارجازدامنهمحاسباتی) 98

شکل (5-15) مقایسهشاخصبرشنوسانیبرایفردسالموبیمارمبتلابهدیابتدیوارهالف) خارجیشریانکاروتیدداخلی،ب) پایینسینوسکاروتید،پ) خارجیشریانکاروتیدخارجی،ت) داخلیشریان­هایکاروتیدداخلیوخارجیوث) محلانشعاب 100

شکل (5-16) توزیعجابجاییلحظه­ایدیوارهانشعابشریانکاروتیددرطییکسیکلقلبیبرایفردسالموبیمارمبتلابهدیابتالف) ،ب) ،پ) ……. 102

شکل (5-17) محلنمونه­برداریدرشریانکرونریراستبههمراهبای­پسالف) گره­هاینمونه­برداریوب) استخراجپروفیلسرعت 103

شکل (5-18) توزیعوبردارسرعتبرایدوحالتبدونبای­پسوبههمراهبای­پسدرطولیکسیکلقلبیبرایشدتگرفتگی 50% الف) ،ب) ،پ) ،ت) وث) …… 105

شکل (5-19) مقایسهپروفیلسرعتمحوریبرایحالت­هایبدونبای­پسوبههمراهبای­پسدرطییکسیکلقلبیالف) خط 1،ب) خط 3،پ) خط 5 وت) خط 6 107

شکل (5-20) تغییراتجهتواندازهتنشبرشیدیوارهدرطییکسیکلقلبیبرایحالت­هایبدونبای­پسوبههمراهبای­پسدرشدتگرفتگی 50%دیوارهالف) بالاییگرفتگیوب) پایینیگرفتگی 108

شکل (5-21) گرادیانمکانیتنشبرشیدیوارهبرایحالت­هایبدونبای­پسوبههمراهبای­پسدرطییکسیکلقلبیدرشدتگرفتگی 50% دیوارهالف) بالاییگرفتگیوب) پایینیگرفتگی 109

شکل (5-22) مقایسهپروفیلسرعتمحوریدرشدتگرفتگی­های 50%، 60% و 70% 112

شکل (5-23) جهتواندازهتنشبرشیدیوارهشریانکرونریراستدرطییکسیکلقلبیبرایشدتگرفتگی­های 50%، 60% و 70% دیوارهالف) ورودیاتصال،ب) بالاییمحلگرفتگی،پ) پایینیمحلگرفتگی،ت) خروجیاتصال 113

شکل (5-24) گرادیانمکانیتنشبرشیدیوارهشریانکرونریراستدرطییکسیکلقلبیبرایشدتگرفتگی­های 50%، 60% و 70% دیوارهالف) ورودیاتصال،ب) بالاییمحلگرفتگی،پ) پایینیمحلگرفتگی،ت) خروجیاتصال 114

شکل (5-25) مقایسهپروفیلسرعتمحوریبرایدوشکلگرفتگیمتفاوتوشدت 70% رویخطوطنمونه­برداری 115

شکل (5-26) جهتواندازهتنشبرشیدیوارهدرطییکسیکلقلبیبرایدوشکلگرفتگیمتفاوتوشدتگرفتگی 70% دیوارهالف) ورودیاتصال،ب) بالاییمحلگرفتگی،پ) پایینیمحلگرفتگی،ت) خروجیاتصال 117

شکل (5-27) اندازهشاخصبرشنوسانیدرطولیکسیکلقلبیبرایدوشکلگرفتگیمختلفدیوارهالف) ورودیاتصال،ب) بالاییمحلگرفتگی،پ) پایینیمحلگرفتگی،ت) خروجیاتصال 119

 

                 فهرست جدول ها

جدول (2-1) مدل­هایغیرنیوتنیلزجتخوندرواحد بهعنوانیتابعیازنرخبرش ،باضرایباستخراجی]37[ 25

جدول (4-1) ابعادهندسهسیلندرومیلهانعطاف­پذیر]94[ 51

جدول (4-2) خصوصیاتسیالوسازهدرمسئلهFSI3]64[ 52

جدول (4-3) مشخصاتهندسهشریانکرونریراستبههمراهبای­پس 56

جدول (4-4) تغییراتلزجتخونبرحسبنرخبرشدربیماریدیابت]101[ 58

جدول (4-5) خواصمکانیکیدیوارهانشعابشریانکاروتید 59

جدول (4-6) خواصمکانیکیدیوارهشریانکرونریراستبههمراهبای­پس 59

جدول (4-7) شرایطمرزیدرنرم­افزارفلوئنت 63

جدول (4-8) شرایطمرزیدرنرم­افزارانسیسمکانیکال 64

جدول (4-9) کیفیتشبکهنهاییبرایانشعابشریانکاروتید 66

جدول (4-10) کیفیتشبکهنهاییبرایشریانکرونریراستبههمراهبای­پس 66

جدول (4-11) طرح­هایگسسته­سازیمکانیوضرایبآسایش 68

 

فهرست نمادها

قطر و طول مشخصه هندسه (m)

بردار عمود سیال

قطر شریان بای­پس(m)

بردار عمود سازه

قطر شریان اصلی(m)

علائم یونانی

مدول یانگ (Pa)

زاویه اتصال بای­پس (°)

شاخص مدل غیرنیوتنی

سطح مشترک سیال و سازه

فشار (Pa)

ضریب نفوذ لزجت

شعاع ناحیه گرفتگی(m)

نرخ برش (1/s)

شعاع شریان (m)

ثابت ضریب نفوذ شبکه

عبارت چشمه

تابع دلتای کرونکر

زمان (s)

ثابت زمانی (s)

گام زمانی (s)

لزجت (Pa.s)

دوره تناوب سیکل قلبی (s)

لزجت صفر(Pa.s)

مولفه بردار تنش سیال

لزجت بی نهایت (Pa.s)

مولفه بردار تنش سازه

ضریب پواسون

سرعت متوسط (m/s)

چگالی سیال (kg/m3)

حجم سلول محاسباتی (m3)

چگالی سازه (kg/m3)

مولفه بردار مکان (m)

مولفه تانسور تنش سیال

مولفه بردار مکان (m)

مولفه تانسور برش سیال

مولفه بردار مکان(m)

کمیت عددی

بردارها و تانسورها

دامنه شبیه­سازی

بردار نیروی جسمی سازه (Pa)

زیر دامنه سیال

تانسور ثوابت ماده

زیر دامنه سازه

بردار جابجایی سازه (m)

بردار گردابه (1/s)

بردار سرعت سازه (m/s)

مرز حجم کنترل

بردار شتاب سازه (m/s2)

اعداد بدون بعد

دامنه محاسباتی

عدد رینولدز

تانسور گرین

فاصله بدون بعد

بردار جابجایی شبکه سیال

گردابه بدون بعد محلی

بردار بسط جابجایی سازه

توابع

بردار نیروی جسمی سیال (Pa)

تابع مارپیچی

فضای سه بعدی

چگالی تابع مارپیچی

تانسور تنش سیال (Pa)

تابع نگاشت

تانسور تنش سازه (Pa)

عملگر

بردار سرعت (m/s)

عملگر گرادیان

بردار مختصات مرجع

عملگر اندازه بردار و تانسور

بردار مکان مختصات کارتزین(m)

متغیرها

جهت تنش برشی دیواره (Pa)

گرادیان مکانی تنش برشی دیواره (Pa/m)

تانسور گرادیان بردار تنش برشی دیواره (Pa/m)

نرخ تغییر گرادیان مکانی تنش برشی دیواره (Pa/m-s)

شاخص برش نوسانی

1 دیدگاه برای شبیهسازی عددی تعامل سیال و سازه جریان خون درون شریان ­های کاروتید و کرونری انسان

  1. betaxolol online kopen in Maastricht, Nederlandr

    With thanks! It is definitely an good internet site! Kauf von mestinon ohne ärztliche Verschreibung in Groningen, Deutschland

دیدگاه خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo