Otimização topológica para escoamentos 2D girantes com aplicação no projeto de um dispositivo de assistência ventricular.

Autor(es)

Diego Hayashi Alonso

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC)
• Data de defesa: 2022-05-27

Membros da banca

Emilio Carlos Nelli Silva; Aron Jose Pazin de Andrade; Bruno Souza Carmo; Shinji Nishiwaki; Anderson Pereira

• Orientador: Emilio Carlos Nelli Silva

Resumo

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. (AU)

• Processo FAPESP: 17/27049-0 - Método de otimização topológica aplicado ao projeto de rotor e voluta de dispositivos de assistência ventricular baseados no efeito de viscosidade (princípio Tesla)
• Beneficiário: Diego Hayashi Alonso
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto