Modeling of blood flow in real vascular networks

Simulations des écoulements sanguins dans des réseaux vasculaires complexes

Ranine Tarabay (1)

1 IRMA - Institut de Recherche Mathématique Avancée

Towards a large scale 3D computational model of physiological hemodynamics, remarkable progress has been made in simulating blood flow in realistic anatomical models constructed from three-dimensional medical imaging data in the past few decades. When accurate anatomic models are of primary importance in simulating blood flow, realistic boundary conditions are equally important in computing velocity and pressure fields. Thus, the first target of this thesis was to investigate the convergence analysis of the unknown fields for various types of boundary conditions allowing for a flexible framework with respect to the type of input data (velocity, pressure, flow rate, ...). In order to deal with the associated large computational cost, requiring high performance computing, we were interested in comparing the performance of two block preconditioners; the least-squared commutator preconditioner and the pressure convection diffusion preconditioner. We implemented the latter, in the context of this thesis, in the Feel++ library. With the purpose of handling the fluid-structure interaction, we focused of the approximation of the force exerted by the fluid on the structure, a field that is essential while setting the continuity condition to ensure the coupling of the fluid model with the structure model. Finally, in order to assess our numerical choices, two benchmarks (the FDA benchmark and the Phantom benchmark) were carried out, and a comparison with respect to experimental and numerical data was established and validated.

Au cours des dernières décennies, des progrès remarquables ont été réalisés au niveau de la simulation d’écoulements sanguins dans des modèles anatomiques réalistes construits à partir de données d'imagerie médicale 3D en vue de simulation hémodynamique et physiologique 3D à grande échelle. Alors que les modèles anatomiques précis sont d'une importance primordiale pour simuler le flux sanguin, des conditions aux limites réalistes sont également importantes surtout lorsqu’il s’agit de calculer des champs de vitesse et de pression. La première cible de cette thèse était d'étudier l'analyse de convergence des inconnus pour différents types de conditions aux limites permettant un cadre flexible par rapport au type de données d'entrée (vitesse, pression, débit, ...). Afin de faire face au grand coût informatique associé, nécessitant un calcul haute performance, nous nous sommes intéressés à comparer les performances de deux préconditionneurs par blocs; le preconditionneur LSC (Least-Squared Commutator et le preconditionneur PCD (Pressure Convection Diffusion). Dans le cadre de cette thèse, nous avons implémenté ce dernier dans la bibliothèque Feel++. Dans le but de traiter l'interaction fluide-structure, nous nous sommes focalisés sur l'approximation de la force exercée par le fluide sur la structure, un champ essentiel intervenant dans la condition de continuité pour assurer le couplage du modèle de fluide avec le modèle de structure. Enfin, afin de valider nos choix numériques, deux cas tests ont été réalisés et une comparaison avec les données expérimentales et numériques a été établie et validée (le benchmark FDA et le benchmark Phantom).

Mots clés: Navier-Stokes equations; Large scale simulations; Computational fluid dynamics; Scalable parallel; Preconditioners; Experimental validation; Feel++

Mots clés: Equations de Navier-Stokes; Simulations à grande échelles; Dynamique des fluides; Preconditionneurs parallèles; Validation par rapport à des données expérimentales; Feel++

Domaines: Ingénierie assistée par ordinateur; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]

Ranine Tarabay. Modeling of blood flow in real vascular networks. Computer Aided Engineering. Université de Strasbourg, 2016. English. ⟨NNT : 2016STRAD034⟩. ⟨tel-01364010v2⟩