Hintergrund
Die steigenden Genauigkeitsanforderungen bei vielen modernen Simulationsaufgaben in Wissenschaft und Technik erfordern immer häufiger die Berücksichtigung mehrerer physikalischer Effekte. Zu den wichtigsten und anspruchsvollsten dieser multiphysikalischen Probleme – sowohl hinsichtlich der Modellierung als auch der Berechnung – zählen Fluid-Struktur-Wechselwirkungen (FSI), d. h. Wechselwirkungen zwischen beweglichen oder verformbaren elastischen Strukturen und einer inneren oder umgebenden Fluidströmung. Die Vielfalt der FSI-Vorkommnisse ist groß und reicht vom Flattern von Flugzeugflügeln und Turbinenschaufeln bis zum Blutfluss in Arterien. Werden diese oszillierenden Wechselwirkungen ignoriert, können die Folgen verheerend sein, insbesondere bei ermüdungsanfälligen Strukturen.

Analysebeschreibung
Um zu zeigen, Neu skalieren Um Ingenieuren und Wissenschaftlern bei der Modellierung dieser komplexen multiphysikalischen Probleme zu helfen, haben wir eine numerische Simulation des Blutflusses in flexiblen Arterien mithilfe der Fluid-Struktur-Interaktion durchgeführt. Die Modellierung des Blutflusses bringt einige einzigartige Herausforderungen hinsichtlich der genauen Darstellung der verschiedenen physikalischen Prozesse mit sich. Blut ist von Natur aus eine nicht-newtonsche Flüssigkeit und seine Viskosität variiert mit der Schergeschwindigkeit. Eine weitere Herausforderung betrifft das Arterienmaterial selbst, das ebenfalls komplex ist und aus mehreren Schichten besteht, wobei jede Schicht unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Arterienwände bei Druckschwankungen des durch sie hindurchfließenden inneren Blutflusses verformen. Diese Arterienwände dehnen sich als Reaktion auf erhöhten Blutdruck aus und ziehen sich zusammen, wenn dieser Druck nachlässt. Diese Deformationen beeinflussen jedoch auch den Druck des inneren Blutflusses selbst und definieren dadurch ein gekoppeltes transientes System, das gelöst werden muss.

Um das physikalische System präzise darzustellen, wird der Blutfluss durch die Arterie mit instationärem oder periodischem Fluss modelliert. Die Analysemodelle für diese Art von Simulationen können aufgrund von Arterienverzweigungen und -rekombinationen komplex sein, was zu Rechennetzen mit einer großen Anzahl von Zellen führen kann. Aufgrund der komplexen physikalischen Vorgänge und der Größe des Analysemodells eignet sich Rescale mit seiner umfangreichen Bibliothek unterstützter Analysesoftware besonders gut, um Ingenieuren und Wissenschaftlern, die solche Analyseprobleme lösen, schneller Ergebnisse zu liefern.

Abbildungen 1 und 2 zeigen die einfachen Analysemodelle für den Struktur- bzw. Fluidlöser. Das zylindrische Strukturmodell hat einen Innendurchmesser von 22 mm, eine feste Wandstärke von 2 mm und eine Ausdehnung von 55 mm. Das FEA-Modell besteht aus 7,776 Elementen, während der Fluidbereich aus 20,480 hexaedrischen Zellen besteht.

Die beiden Modelle sind entlang einer einzigen FSI-Grenze verbunden. An der Einlassgrenze des Fluidbereichs ist ein periodisches Geschwindigkeitsprofil vorgegeben, wobei die periodische Einlassgeschwindigkeit durchschnittlich 1.3 m/s beträgt und 0.5 m/s um diesen Mittelwert schwankt. An der Ausflussgrenze dieses Bereichs ist eine lineare Verteilung des statischen Überdrucks festgelegt, der zwischen den Zeitpunkten t = 0 und t = 13,332 (s) von 0 Pa bis 1 Pa variiert. Entlang der äußeren zylindrischen Wand wird eine rutschfeste, adiabatische Randbedingung angewendet. Der durch die Arterie fließende Blutfluss wird als laminare, inkompressible Strömung modelliert.

Tabelle 1 listet die Materialeigenschaften auf, die zur Definition des Arterienstrukturmodells in ANSYS Mechanical für diese Beispielsimulation verwendet wurden. Blut wurde mithilfe des Carreau-Modells modelliert, das die Viskosität mit der Schergeschwindigkeit in Beziehung setzt, wie in Gleichung (1) dargestellt.

 

Die Simulation wird mit der Systemkopplungsfunktion von ANSYS durchgeführt, die im Produkt ANSYS Workbench enthalten ist. FLUENT und ANSYS Mechanical werden als Kopplungsteilnehmer für diese Simulation verwendet. Nachdem das Modell in Workbench eingerichtet und gespeichert wurde, wird über die Systemkopplungskomponente eine Systemkopplungsdatei für das Projekt exportiert. Die ANSYS Mechanical-Eingabedatei wird exportiert, ebenso wie die FLUENT-Falldatei. Ein Benutzer muss diese außerdem durch eine einfache FLUENT-Journaldatei ergänzen, die definiert, wie der FLUENT-Fall ausgeführt werden soll. Unter „Rescale“ wählt ein Benutzer das Produkt ANSYS Workbench aus der Liste der Analysecodes aus und stellt die Hardware bereit, auf der die Analyse ausgeführt werden soll. Auf der nächsten Job-Setup-Seite mit der Bezeichnung „Workflow“ wird jede der oben genannten Eingabedateien hochgeladen und die Dateinamen als Argumente im Feld „Analyse“ übergeben, bevor der Job zur Ausführung bei Bedarf übermittelt wird.
Simulationslösung
Im Verlauf der Simulation steigt der Blutdruck in der Arterie, wodurch sich die elastische Arterienstruktur erweitert. Diese Ausdehnung der Flüssigkeitsgrenze führt zu einem Druckabfall des durch die Arterie fließenden Blutes, und die Arterie zieht sich sichtbar zusammen. Die Animationen in Abbildung 3 und 4 verdeutlichen diesen Systemkopplungseffekt und helfen, die Multiphysik dieser Fluid-Struktur-Interaktionssimulationen visuell zu veranschaulichen.

Darüber hinaus kann diese Verformung der Arterienwand quantitativ gemessen werden. Abbildung 5 zeigt die anfängliche Gesamtverschiebung einer Ebene, die durch die Mitte der Arterienwandstruktur schneidet. Diese anfängliche Verschiebung wurde mit 0.276 mm gemessen.

Zusammenfassung
Da Ingenieure und Wissenschaftler bei ihrer Arbeit immer höhere Genauigkeit anstreben, erhöht die Notwendigkeit, Probleme mit mehr als einem physikalischen Effekt zu modellieren, den Bedarf an Rechenressourcen, die oft von mehreren konkurrierenden Gruppen innerhalb eines Unternehmens gemeinsam genutzt werden. Komplexe Analysemodelle, die aus Dutzenden bis Hunderten Millionen Zellen bestehen, verschärfen dieses Problem zusätzlich und führen zu langen Wartezeiten im HPC-Scheduler eines Unternehmens.
Dies führt häufig zu Engpässen bei der Analysearbeit aufgrund anstehender Fristen. Rescale kann Ihnen helfen, solche Engpässe in Ihrem Unternehmen zu entschärfen, indem es eine benutzerfreundliche On-Demand-Alternative bietet, die es Ingenieuren und Wissenschaftlern ermöglicht, ihre komplexen Multiphysik-Simulationen ohne Verzögerungen auf den von ihnen benötigten Rechenressourcen auszuführen.
Sie können diese Simulation auf Rescale selbst anzeigen und ausführen, indem Sie auf klicken werden auf dieser Seite erläutert.