Pulmonary occlusions, eyelid entropion and aneurysm : a physical insight in physiology
Occlusions pulmonaires, entropion oculaire et anévrismes : une approche physique en physiologie
Résumé
This thesis deals with three physiological issues involving liquid flows and, for two of them, fluid-structure interactions. Each problem is reduced to an experimental set-up respecting its main mechanical and physical properties.
Liquid plugs can resist the air flow in the lungs. Those occlusions result sometimes from the capillary instability. We show that this instability is affected, and sometimes suppressed, by gravity, even at low Bond number : only the smallest airways develop plugs across their lumen. The final stage of the growing of the plugs leads to a singularity specific to the tubular geometry. We develop scaling laws in order to understand it.
The entropion is the turning inward of the border of the eyelid against the eyeball. Previous modelings of the eyelid assumed it was rigid. We study the importance of its elasticity on the coating of the cornea by a tear film. A Landau-Levich-type model is considered. We then look at the possible inversion of the eyelid.
An abdominal aortic aneurysm (AAA) is a locally swollen region of the main artery of the human body. We study experimentally, numerically and theoretically the response of an elastic tube submitted to a pulsatile heart-like flow. On the timescale of one cardiac cycle, we distinguish between two different modes of deformation : the tube can either dilate in a synchronous way on each cycle, or propagate deformation waves. We explain this transition both with a model of elastic waves and by considering the time required to reach equilibrium in the membrane. On very long timescales compared to the cardiac cycle, a windkessel model show a critical flowrate above which the tube grows and develops an "aneurysm". The numerical simulations allow us to couple both the waves and this aneurysm development : they show very interesting issues concerning the preferential location of an aneurysm.
Liquid plugs can resist the air flow in the lungs. Those occlusions result sometimes from the capillary instability. We show that this instability is affected, and sometimes suppressed, by gravity, even at low Bond number : only the smallest airways develop plugs across their lumen. The final stage of the growing of the plugs leads to a singularity specific to the tubular geometry. We develop scaling laws in order to understand it.
The entropion is the turning inward of the border of the eyelid against the eyeball. Previous modelings of the eyelid assumed it was rigid. We study the importance of its elasticity on the coating of the cornea by a tear film. A Landau-Levich-type model is considered. We then look at the possible inversion of the eyelid.
An abdominal aortic aneurysm (AAA) is a locally swollen region of the main artery of the human body. We study experimentally, numerically and theoretically the response of an elastic tube submitted to a pulsatile heart-like flow. On the timescale of one cardiac cycle, we distinguish between two different modes of deformation : the tube can either dilate in a synchronous way on each cycle, or propagate deformation waves. We explain this transition both with a model of elastic waves and by considering the time required to reach equilibrium in the membrane. On very long timescales compared to the cardiac cycle, a windkessel model show a critical flowrate above which the tube grows and develops an "aneurysm". The numerical simulations allow us to couple both the waves and this aneurysm development : they show very interesting issues concerning the preferential location of an aneurysm.
Ce manuscrit traite de trois problématiques physiologiques qui mettent en jeu des écoulements de liquide, et parfois des interactions fluide-structure. Nous épurons chaque situation pour en extraire un montage expérimental modèle conservant ses composantes physiques et mécaniques.
Les occlusions pulmonaires sont des lentilles de liquides qui peuvent être formées grâce à l'instabilité capillaire dans des tubes. Nous montrons que cette instabilité est affectée, et parfois supprimée, par la gravité, même aux faibles nombres de Bond : seules les plus petites bronchioles sont susceptibles de développer l'instabilité de Plateau-Rayleigh. Les étapes finales de la formation de la lentille liquide font intervenir une singularité spécifique à la géométrie tubulaire, que nous traitons par des modèles en loi d'échelle.
L'entropion est un enroulement de la paupière qui provoque un contact indésirable entre les cils et le globe oculaire. Nous étudions l'influence de l'élasticité de la paupière sur l'étalement du fluide lacrymal, grâce à un modèle de type Landau-Levich. Nous examinons ensuite la possibilité du retournement de la paupière lors de la fermeture de l'œil.
Un anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) est une zone localement dilatée de la plus grosse artère du corps humain. Nous étudions expérimentalement, numériquement et théoriquement la réponse d'un tuyau élastique à un écoulement pulsé comme l'est celui du cœur. Sur l'échelle de temps du cycle cardiaque, nous mettons en lumière deux régimes possibles de déformation en fonction de la sollicitation : la membrane peut soit se dilater de façon synchrone à chaque cycle, soit propager des ondes de déformation. Le seuil de transition est explicité d'une part grâce à un modèle d'ondes élastiques, et d'autre part en considérant le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre. Sur des échelles de temps très longues en comparaison du cycle cardiaque, un modèle moyen de type windkessel permet de rendre compte d'un débit critique au delà duquel le tube se dilate et forme un anévrisme . Les expériences numériques permettent de coupler les ondes avec le développement d'un anévrisme, ouvrant des pistes prometteuses en ce qui concerne la localisation préférentielle d'un anévrisme.
Les occlusions pulmonaires sont des lentilles de liquides qui peuvent être formées grâce à l'instabilité capillaire dans des tubes. Nous montrons que cette instabilité est affectée, et parfois supprimée, par la gravité, même aux faibles nombres de Bond : seules les plus petites bronchioles sont susceptibles de développer l'instabilité de Plateau-Rayleigh. Les étapes finales de la formation de la lentille liquide font intervenir une singularité spécifique à la géométrie tubulaire, que nous traitons par des modèles en loi d'échelle.
L'entropion est un enroulement de la paupière qui provoque un contact indésirable entre les cils et le globe oculaire. Nous étudions l'influence de l'élasticité de la paupière sur l'étalement du fluide lacrymal, grâce à un modèle de type Landau-Levich. Nous examinons ensuite la possibilité du retournement de la paupière lors de la fermeture de l'œil.
Un anévrisme de l'aorte abdominale (AAA) est une zone localement dilatée de la plus grosse artère du corps humain. Nous étudions expérimentalement, numériquement et théoriquement la réponse d'un tuyau élastique à un écoulement pulsé comme l'est celui du cœur. Sur l'échelle de temps du cycle cardiaque, nous mettons en lumière deux régimes possibles de déformation en fonction de la sollicitation : la membrane peut soit se dilater de façon synchrone à chaque cycle, soit propager des ondes de déformation. Le seuil de transition est explicité d'une part grâce à un modèle d'ondes élastiques, et d'autre part en considérant le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre. Sur des échelles de temps très longues en comparaison du cycle cardiaque, un modèle moyen de type windkessel permet de rendre compte d'un débit critique au delà duquel le tube se dilate et forme un anévrisme . Les expériences numériques permettent de coupler les ondes avec le développement d'un anévrisme, ouvrant des pistes prometteuses en ce qui concerne la localisation préférentielle d'un anévrisme.
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