Investigation of interactions between particles and flowing biofluids

Abstract

The numerical modelling of the transport of particles suspended in flowing biofluids is the main objective of this work. The solution of the continuous phase is treated by Computational Fluid Dynamics (CFD) methods based on an existing code. Special emphasis during development of the model is given in solving the transport of the particulate phase.In the present thesis, the fluid-particle flow in the limit of low mass load and volume fraction is described through an Eulerian formalism. One-way coupling of the dispersed phase is considered. In the Eulerian description of the dispersed phase we approximate the particle velocity in the mass conservation equation of the dispersed (particulate) phase by an expression obtained in the limit of low particle relaxation time. The particle velocity is decomposed into a diffusive term and a convective term. The convective particle velocity equals the velocity of the carrier fluid corrected by s drift velocity due to inertial effects and the total externally-induced velocity, thereby introducing particle inertial and body force effects in the Eulerian form of the particle transport equation (PTE). This treatment of PTE is the main innovative aspect of this thesis. The numerical treatment of the particulate phase transport is based on CFD techniques. The PTE is solved in space using a finite volume method that takes into account non-orthogonal and multi-block grids. Moreover, we succeeded in proposing and validating a novel numerical approach to the wall boundary condition, where the totally absorbing wall condition is combined with the strong convectivefluxes towards it.The validation of the proposed methodology shows that particle diffusion and gravitational settling are predicted accurately. Moreover, during the investigation of the validity of the particle velocity approximation for higher particle relaxation times, it is shown that the model can accurately predict particle deposition efficiencies and particles deposition sites.The developed model is used to study particle inertial effects in aerosol flows inside a bend of circular cross-section and in a single bifurcation. In addition, the model is employed in order to investigate magnetophoresis of magnetic particles suspended in a flowing liquid medium. As shown by the practical applications that we have undertaken, the model can contribute to the interpretation of observed behavior of particles in the respiratory or cardiovascular system.

Η αριθμητική μοντελοποίηση της μεταφοράς σωματιδίων που βρίσκονται διασκορπισμένα σε ρέοντα βιορευστά είναι ο βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής. Η συνεχής φάση (ρευστό) επιλύεται με χρήση υπάρχοντος κώδικα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Ιδιαίτερη σημασία κατά την ανάπτυξη του μοντέλου δόθηκε στην επίλυση της μεταφοράς των σωματιδίων.Στην παρούσα διατριβή, χρησιμοποιείται προσέγγιση Euler για την περιγραφή της ροής ρευστού – σωματιδίων στο όριο του χαμηλού φορτίου μάζας και μικρού κλάσματος όγκου. Θεωρείται μονόπλευρη σύζευξη της σωματιδιακής φάσης. Η ταχύτητα της σωματιδιακής φάσης που περιέχεται στην Εξίσωσης Μεταφοράς των Σωματιδίων (ΕΜΣ), εκφράζεται στο όριο του μικρού χρόνου χαλάρωσης των σωματιδίων, και αποτελείται από έναν όρο διάχυσης και έναν όρο συναγωγής. Η σωματιδιακή ταχύτητα συναγωγής είναι η ταχύτητα του ρευστού διορθωμένη κατά μια ταχύτητα ολίσθησης εξαιτίας της αδράνειας και της ολικής εξωτερικής δύναμης που ασκείται στα σωματίδια. Έτσι τα αδρανειακά φαινόμενα της σωματιδιακής φάσης και η επίδραση εξωτερικών πεδίων δυνάμεων ενσωματώνονται επιτυχώς στην κατά Euler περιγραφή της ΕΜΣ, γεγονός που αποτελεί και την κύρια καινοτομία της παρούσας διατριβής.Η αριθμητική αντιμετώπιση της σωματιδιακής φάσης βασίζεται σε τεχνικές CFD. Η εξίσωση μεταφοράς των σωματιδίων επιλύεται στο χώρο μέσω μιας μεθοδολογίας πεπερασμένων όγκων, η οποία λαμβάνει υπόψη μη-ορθογώνια και multi-grid πλέγματα. Επιπλέον, προτείνεται και πιστοποιείται η χρήση μιας νέας αριθμητικής προσέγγισης για τη συνοριακή συνθήκη στο τοίχωμα, όπου η συνθήκη του πλήρως απορροφητικού τοιχώματος συνδυάζεται με τις ισχυρές ροές συναγωγής προς αυτό.Κατά την πιστοποίηση της μεθοδολογίας τεκμηριώνουμε ότι η διάχυση και η βαρυτική καθίζηση προβλέπονται με άριστη ακρίβεια. Επίσης, κατά τον έλεγχο της προσεγγιστικής έκφρασης για την ταχύτητα των σωματιδίων στις περιπτώσεις μεγάλων χρόνων χαλάρωσης, αποδείχτηκε ότι το μοντέλο μπορεί να προβλέψει επιτυχώς την εναπόθεση των αδρανειακών σωματιδίων και τις περιοχές εναπόθεσης τους.Το μοντέλο χρησιμοποιείται για τη μελέτη των αδρανειακών φαινομένων σε αερολύματα εντός γωνιάς κυκλικής διατομής, όπως επίσης και εντός διακλάδωσης. Πρόσθετα, το μοντέλο χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση της μαγνητοφόρισης μαγνητικών σωματιδίων διασκορπισμένων σε υγρό μέσο. Οι προαναφερθείσες μελέτες δείχνουν ότι το προτεινόμενο μοντέλο μπορεί να συνεισφέρει στην ερμηνεία της συμπεριφοράς των σωματιδίων στο αναπνευστικό ή/και καρδιαγγειακό σύστημα.