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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2022.tde-07072022-094033
Document
Author
Full name
Diego Hayashi Alonso
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2022
Supervisor
Committee
Silva, Emilio Carlos Nelli (President)
Andrade, Aron Jose Pazin de
Carmo, Bruno Souza
Nishiwaki, Shinji
Pereira, Anderson
Title in English
Topology optimization for 2D swirl flows with application in the design of a ventricular assist device.
Keywords in English
Hemolysis
Tesla pump
Thrombosis
Topology optimization
Turbulence
Abstract in English
Ventricular Assist Devices (VADs) substitute or temporarily assist the heart and blood circulation by means of a small-scale blood pump. Due to the operation with blood, their designs aim to minimize blood damage (hemolysis and thrombosis) and maximize the performance (i.e., more efficient pumping). For that, the topologies of the rotor and the volute play a major role. In this research, the rotor is based on the 2D swirl concept, which considers swirling axisymmetric flow, being represented mainly by the Tesla pump. In a Tesla pump, the boundary layer (viscous) effect pumps the fluid, which may lead to less blood damage than bladed pumps (pumping based on the variation of linear momentum). However, the obtained efficiency is normally low, which may be improved by using the topology optimization method. Therefore, in this research, the topology optimization method is implemented for the 2D swirl flow model, also considering a non-Newtonian model for blood (Carreau-Yasuda) and hemolysis/thrombosis models to quantify the blood damage. Furthermore, the 2D swirl flow topology optimization is extended to the Wray-Agarwal turbulence model (WA2018), which presents advantages from the simulation and topology optimization points-of-view. The solid material is modeled as a porous medium with permeability controlled by the topology optimization. The numerical implementation is performed mainly through the FEniCS platform, by using the dolfin-adjoint library for the automatically derived adjoint model, and also relying on the OpenFOAM® software for considering higher-speed flows, turbulence and 3D simulations. For the optimization, the IPOPT and TOBS solvers are considered. The optimized designs are interpreted and fabricated through additive manufacturing, and then experimentally evaluated.
Title in Portuguese
Otimização topológica para escoamentos 2D girantes com aplicação no projeto de um dispositivo de assistência ventricular.
Keywords in Portuguese
Bomba tesla
Hemólise
Otimização topológica
Trombose
Turbulência
Abstract in Portuguese
Dispositivos de Assistência Ventricular (DAVs) substituem ou auxiliam temporariamente o coração e a circulação sanguínea por meio de uma bomba de sangue de pequena escala. Devido à sua operação com sangue, os seus projetos visam minimizar o dano ao sangue (hemólise e trombose) e maximizar o desempenho (i.e., bombear de forma mais eficiente). Para isso, as topologias do rotor e da voluta têm um papel de destaque. Nesta pesquisa, o rotor é baseado no conceito de escoamento 2D girante, que consiste em escoamento axissimétrico rotativo, sendo representado principalmente pela bomba Tesla. Em uma bomba Tesla, o fluido é bombeado pelo efeito da camada limite (viscosidade) e não pela variação de quantidade de movimento linear (como em bombas de palhetas), o que pode levar a um menor dano ao sangue. Porém, a eficiência obtida é normalmente baixa, mas que pode ser aumentada utilizando o método de otimização topológica. Assim, nesta pesquisa, o método de otimização topológica é implementado para o modelo 2D de escoamento girante, também considerando um modelo não-Newtoniano para o sangue (Carreau-Yasuda) e modelos de hemólise/trombose para quantificar o dano ao sangue. Além disso, a otimização topológica de escoamento 2D girante é estendida para o modelo de turbulência de Wray-Agarwal (WA2018), que possui vantagens dos pontos-de-vista de simulação, e otimização topológica. O material sólido é modelado como um meio poroso com permeabilidade controlada pela otimização topológica. A implementação numérica é feita principalmente usando o software FEniCS, por meio da biblioteca dolfin-adjoint para a derivação automática do modelo adjunto, e também é usado o software OpenFOAM® para considerar escoamentos de alta velocidade, turbulência e simulações 3D. Para a otimização, os otimizadores IPOPT e TOBS são considerados. Os projetos otimizados são interpretados e fabricados por manufatura aditiva, e então avaliados experimentalmente.
 
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Publishing Date
2022-07-07
 
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