Using image-based large-eddy simulations to investigate the intracardiac flow and its turbulent nature

par Christophe Chnafa

Thèse de doctorat en Mathématiques et modélisation

Sous la direction de Franck Nicoud et de Simon Mendez.

  • Titre traduit

    Utilisation de simulations aux grandes échelles à partir d'images médicales pour l'étude de l'écoulement intracardiaque et de sa nature turbulente


  • Résumé

    Le premier objectif de cette thèse est de générer et d'analyser une base de données pour l'écoulement intracardiaque dans des géométries réalistes. Dans ce but, une stratégie couplant simulation numérique et imagerie médicale est appliquée à un cœur gauche pathologique et à un cœur gauche sain. Le second objectif est d'illustrer comment cette base de données peut être analysée afin de mieux comprendre l'écoulement intracardiaque, en portant une attention particulière aux caractéristiques instationnaires de l'écoulement et à sa nature turbulente. Une chaîne numérique pour simuler l'écoulement dans des géométries spécifiques au patient est tout d'abord présentée. La cavité cardiaque et ses mouvements sont extraits à partir d'images médicales à l'aide d'un algorithme de recalage d'image afin d'obtenir le domaine de calcul. Les équations qui régissent l'écoulement sont écrites dans le cadre d'un maillage se déformant au cours du temps (approche arbitrairement Lagrangienne ou Eulérienne). Les valves cardiaques sont modélisées à l'aide de frontières immergées. L'application de cette chaîne numérique à deux cœurs gauches, l'un pathologique, l'autre sain est ensuite détaillée. L'écoulement sanguin est caractérisé par sa nature transitoire, donnant un écoulement complexe et cyclique. Il est montré que l'écoulement n'est ni laminaire, ni pleinement turbulent, justifiant a posteriori l'utilisation de simulation aux grandes échelles. Le développement instationnaire de la turbulence est analysé à l'aide de l'écoulement moyenné sur un nombre suffisant de cycles cardiaques. Les statistiques de l'écoulement, l'énergie turbulente, la production de turbulence et une analyse spectrale sont notamment présentées. Une étude Lagrangienne est aussi effectuée en utilisant des statistiques calculées à l'aide de particules ensemencées dans l'écoulement. En plus des caractéristiques habituellement rapportées, ce travail met en évidence le caractère perturbé et transitoire de l'écoulement, tout en identifiant les mécanismes de production de la turbulence.


  • Résumé

    The first objective of this thesis is to generate and analyse CFD-based databases for the intracardiac flow in realistic geometries. To this aim, an image-based CFD strategy is applied to both a pathological and a healthy human left hearts. The second objective is to illustrate how the numerical database can be analysed in order to gain insight about the intracardiac flow, mainly focusing on the unsteady and turbulent features. A numerical framework allowing insight in fluid dynamics inside patient-specific human hearts is first presented. The heart cavities and their wall dynamics are extracted from medical images, with the help of an image registration algorithm, in order to obtain a patient-specific moving numerical domain. Flow equations are written on a conformal moving computational domain, using an Arbitrary Lagrangian-Eulerian framework. Valves are modelled using immersed boundaries.Application of this framework to compute flow and turbulence statistics in both a realistic pathological and a realistic healthy human left hearts is presented. The blood flow is characterized by its transitional nature, resulting in a complex cyclic flow. Flow dynamics is analysed in order to reveal the main fluid phenomena and to obtain insights into the physiological patterns commonly detected. It is demonstrated that the flow is neither laminar nor fully turbulent, thus justifying a posteriori the use of Large Eddy Simulation.The unsteady development of turbulence is analysed from the phase averaged flow, flow statistics, the turbulent stresses, the turbulent kinetic energy, its production and through spectral analysis. A Lagrangian analysis is also presented using Lagrangian particles to gather statistical flow data. In addition to a number of classically reported features on the left heart flow, this work reveals how disturbed and transitional the flow is and describes the mechanisms of turbulence production.


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