Simulations des écoulements sanguins dans des réseaux vasculaires complexes

Modeling of blood flow in real vascular networks

• Auteur / Autrice : Ranine Tarabay
• Direction : Christophe Prud'homme, Nicolas Passat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 26/09/2016
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche mathématique avancée (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Salmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marcela Gabriela Szopos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Maitre, Damien Tromeur-Dervout

Mots clés

Mots clés contrôlés

Navier-Stokes, Équations de

Dynamique des fluides

Interaction fluide-structure

Imagerie tridimensionnelle

Simulation par ordinateur

Circulation sanguine

Mots clés libres

Equations de Navier-Stokes

Simulations à grande échelles

Dynamique des fluides

Preconditionneurs parallèles

Validation par rapport à des données expérimentales

Feel++

Navier-Stokes equations

Large scale simulations

Computational fluid dynamics

Scalable parallel

Preconditioners

Experimental validation

Feel++

Résumé

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).

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.