The stability and behaviour of flows in stenotic geometries
Stabilité et dynamique des écoulements en géométrie de sténose
Résumé
Steady and pulsatile flows in two blockage geometries are investigated. The geometries serve as idealised models of arterial stenosis, a common condition whereby a localised constriction grows within an artery, reducing the blood flow and pressure downstream. The aim of the project is to isolate and describe the fundamental characteristics of stenotic flows. An emphasis is placed on the effect on the flow and its stability of changes in blockage ratio. The first part of the thesis presents a numerical investigation of the steady inlet flow through a two-dimensional channel with a semi-circular blockage on one side of the channel. Variations in the wake behaviour and stability with Reynolds number and blockage ratio are reported. The leading instability mode of the flow is described and its underlying mechanism determined to be elliptical. A geometry consisting of a straight tube with an axisymmetric blockage is then investigated. Flows of steady and pulsatile inlet velocity are modeled numerically and experimentally. The changes in wake behaviour with the various flow parameters are described. Different linear modes of absolute instability are identified for different blockage ratios. The action of convective shear layer instability is also found to be important. For steady flow, comparisons are made between the periodic behaviour of the convective instability and the response of stable flows to periodic forcing. For pulsatile flow, some evidence is found of the action of linear instability modes experimentally, although convective shear layer instability dominates. The variation of both forms of instability with Reynolds number and blockage ratio is characterised.
Les écoulements stationnaires et pulsés sont examinés dans deux géométries bloquées. Les géométries utilisées sont des modèles d'artères sténotiques, une condition commune ou une contraction localisée grandit dans une artère. Les géométries sont des modèles simplifiés de la réalité physiologique d'une sténose, l'intention de l'étude étant d'isoler et de décrire les caractéristiques fondamentales des écoulements sténotiques. L'étude se concentre sur l'effet de la variation du taux de blocage sur l'écoulement et sa stabilité. La première partie de la thèse présente une investigation de l'écoulement stationnaire à travers une conduite bidimensionnelle, avec une contraction asymétrique semi-circulaire. Les variations de la dynamique et de la stabilité et du sillage avec le nombre de Reynolds et le taux de blocage sont présentés. Le mode primaire de l'instabilité est décrit et son mécanisme déterminé analytiquement comme étant une instabilité elliptique. La deuxième partie concerne une géométrie cylindrique avec une contraction axisymétrique. Les écoulements stationnaires et pulsés sont examinés numériquement et expérimentalement. Numériquement, les différents modes linéaires d'instabilité sont identifiés. Expérimentalement, l'influence importante d'une instabilité convective est observée. Pour l'écoulement stationnaire, des comparaisons entre le comportement périodique de l'instabilité convective et la réponse d'un forçage sur l'écoulement stable sont effectuées. Pour l'écoulement pulsé, l'instabilité convective domine pour la plupart des cas considérés. La dépendance du nombre de Reynolds et du taux de blocage des deux formes d'instabilité est étudiée.
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