Método de Otimização Topológica Aplicado ao Projeto de Rotores e Voluta de Dispositivos de Auxílio Ventricular

Resumo

Este trabalho se insere no escopo do projeto temático Sistemas Propulsores Eletromagnéticos para Coração Artificial Implantável e Dispositivos de Suporte Circulatório Mecânico, número Fapesp 2013/24434-0. Uma das linhas de pesquisa deste projeto temático são dispositivos de auxílio ventricular (DAV), interpretado aqui como uma máquina de fluxo radial (bomba) de pequena escala para fluido não-newtoniano. O projeto de DAV tem como requisito um baixo consumo energético e uma baixa tensão de cisalhamento a fim de evitar a morte de hemácias. Esse objetivo depende da topologia do rotor e voluta do DAV. Assim, os projetos do rotor e voluta podem ser obtidos utilizando o método de otimização topológica (MOT), que não somente possibilita a obtenção de rotores e volutas inovadores que atendam a requisitos multi-objetivo como também diminui o tempo de desenvolvimento desses dispositivos. Assim, este trabalho visa o projeto otimizado do rotor e voluta de DAV radial, baseado no método de otimização topológica. A solução das equações constitutivas será feita utilizando o método de elementos finitos para a modelagem do escoamento de sangue (fluido não-newtoniano) em um referencial rotativo no caso do rotor e fixo no caso da voluta. É modelado o escoamento fluido em meio poroso utilizando a equação de Brinkman. A montagem do problema de otimização apresenta uma função multi-objetivo visando minimizar a perda de carga causada pela dissipação viscosa, minimizar o torque de acionamento, minimizar a vorticidade de modo a diminuir a coagulação do sangue e minimizar a taxa de hemólise. Para o modelo de material será utilizado o método das densidades para a otimização. A implementação dos algoritmos será realizada utilizando-se o ambiente FEniCS. O problema de otimização será resolvido utilizando o algoritmo PyIpopt. As topologias resultantes serão construídas utilizando-se impressão 3D e os protótipos serão caracterizados experimentalmente medindo-se a vazão e a pressão geradas. Testes de hemólise serão realizados em parceria com o Instituto Dante Pazzanese, que participa do projeto temático. Os resultados a serem apresentados serão projetos de rotores e estatores bidimensionais de máquinas de fluxo e também resultados experimentais comparando o desempenho dos protótipos.