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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2020.tde-06022020-110012
Document
Author
Full name
Luís Fernando Nogueira de Sá
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Silva, Emilio Carlos Nelli (President)
Andrade, Aron Jose Pazin de
Horikawa, Oswaldo
Pavanello, Renato
Saenz, Juan Sergio Romero
Title in English
Topology optimization method applied to ventricular assis device impeller and volute design.
Keywords in English
Impeller design
Topology optimization
VAD
Volute design
Abstract in English
Ventricular assist devices (VADs) are mainly small-scale pumps that assist the blood to flow. The design of VAD has as the primary requirement low shear stress in order to avoid the death of red blood cells. The topologies of the rotor and volute of the VAD can directly influence the flow condition. This work aims to optimize the design of the rotor and volute of a radial VAD, based on the topological optimization method. The constitutive equations are solved by using the finite element method for the Carreau-Yasuda blood flow model, in a rotational reference in the case of the rotor, and in a fixed reference frame in the case of the volute. The fluid flow is modeled in porous media using the Brinkman equation; also, the turbulence model of Spalart-Allmaras is used. The objective function is the minimization of viscous energy dissipation, aiming to minimize the hemolysis rate indirectly. The implementation of the algorithms is performed using the FEniCS environment coupled with the dolfin-adjoint and pyIpopt libraries. The optimization problem is solved using the PyIpopt algorithm. The optimized topologies are built using 3D printing. The prototypes are tested with water, and the results are used to calibrate a 3D complete VAD computational model. Finally, the model is simulated with blood at 5l/min and 100mmHg and compared with a straight blade impeller. A reduction of 20% in the viscous dissipation is observed.
Title in Portuguese
Método de otimização topológica aplicado ao projeto de rotores e volutas de dispositivos de auxílio ventricular.
Keywords in Portuguese
Bioengenharia
Bombas centrífugas
Dinâmica dos fluídos (Simulação)
Hemodinâmica
Métodos topológicos (Otimização)
Abstract in Portuguese
Dispositivos de auxílio ventricular (DAV) são essencialmente bombas de pequena escala que auxiliam o bombeamento de sangue. O projeto de DAVs tem como principal requisito baixa tensão de cisalhamento a fim de evitar a destruição de hemácias. As topologias do rotor e voluta dessas bombas influenciam diretamente a condição do escoamento e consequentemente a tensão de cisalhamento. Este trabalho visa o otimizar o rotor e a voluta de um DAV radial, baseando-se no método de otimização topológica. A solução das equações constitutivas é feita utilizando-se o método de elementos finitos para a modelagem do escoamento de sangue, em um referencial rotativo no caso do rotor, e fixo no caso da voluta. O escoamento foi modelado com base no escoamento fluido em meio poroso utilizando a equação de Brinkman; além disso é considerado escoamento turbulento utilizando-se o modelo de Spalart-Allmaras. A função objetivo considerada é a minimização da energia de dissipação viscosa, visando-se, indiretamente, a redução da taxa de hemólise. A implementação dos algoritmos é realizada utilizando-se o ambiente FEniCS em conjunto com as bibliotecas do dolfin-adjoint e pyIpopt. As topologias otimizadas foram construídas utilizando-se impressão 3D. Os protótipos foram testados com água e os resultados utilizados para calibrar um modelo computacional 3D de um DAV completo. Por fim, o modelo foi simulado com sangue operando a 5 l/min e 100mmHg, e comparado com um rotor de pás retas, observando-se uma redução de 20% no valor de dissipação viscosa.
 
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Publishing Date
2020-02-06
 
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