Skip to main content
SUPERVISOR
Ebrahim Shirani,Mohamadreza Salimpour
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد راهنما) محمدرضا سلیم پور (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammad Sayed Razavi Rizi
محمد سیدرضوی ریزی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Optimal Design of Vascular Systems Using Biologically Inspired Design
In the present study, a general method for obtaining the optimal geometry of vascular systems is developed. For this purpose, a Y-shaped configuration that consists of the mother branch and two daughter branches is used. The total energy loss which is the sum of the viscous dissipation and metabolic loss is minimized. Minimizing the total energy loss, results in the optimal distribution of WSS. Using optimal distribution of WSS and the continuity equation at the junction of bifurcation, a relationship between diameters of mother and daughter vessels is obtained. Also, the optimal distribution of WSS leads to viscous loss that is proportional to the volume of conduit. Therefore, minimization of the volume of bifurcation results in the optimal bifurcation angle. Moreover, it is shown that the optimal WSS provides minimal flow resistance. The optimal relationship between diameters of the mother and daughter vessels is obtained for both Newtonian and non-Newtonian fluids. Also, turbulent flows are considered using, the non-dimensional friction factor as a function of Reynolds number. It is shown that for both Newtonian and non-Newtonian fluids the optimal relationship between the mother and daughter branches are the same as Murray’s law. However, for turbulent flows the relationship between diameters of the mother and daughter branches are a function of the tube roughness. Moreover, it is shown that the optimal WSS is obtained a constant for laminar flows. However, the optimal WSS in turbulent flows is a function of tube roughness and diameters. Based on the arbitrary distribution of WSS a general formulation for optimal bifurcation angle is proposed. For the derivation of the optimal bifurcation angle, the power law model is used. It is observed that increasing the WSS of daughter branches compared to the value of mother branch leads to smaller bifurcation angle. In order to investigate the effect of the Reynolds number on the analytical results numerical simulations have been performed. Using non-Newtonian power law and Carreau models, analytical results have been tested. For the simulation a Y-shaped configuration with a mother branch and two daughter branches has been chosen. The flow resistance has been computed for different ratios of the diameter of the mother branch to the diameter of the daughter branches. The results show that by increasing Re, the optimal diameters ratio changes form 0.8, (predicted by analytical formulations) to one. Also, the increase of Re leads to the smaller optimal bifurcation angles rather than 75° which is predicted analytically. In other words, when the inertia effect becomes dominant smaller bifurcation angles leads to smaller energy dissipation in the bifurcation. Key words : Vascular System, Murray's law, Flow Resistance, Constructal Theory
در این پروژه، هندسه‌ی بهینه سیستم های انشعابی با الهام از سیستم‌ گردش خون به عنوان سیستم بهینه بیولوژیکی بررسی می‌شود. از یک هندسه Y شکل، متشکل از یک شاخه‌ی مادر و دو شاخه دختر، برای مطالعه استفاده می‌شود. برای نمونه می‌توان به کاربرد انشعاب Y شکل در سیستم گردش خون، شاخه‌های درختان، بستر رودخانه‌ها اشاره کرد. در این مطالعه، رابطه بهینه میان قطرهای شاخه‌های دختر و مادر و زاویه‌ی بهینه انشعاب بررسی شدند. از تنش برشی به‌عنوان پارامتر اصلی جهت بهینه‌سازی استفاده شد. همچنین، توزیع بهینه تنش برشی در سیستم‌ گردش خون و تاثیر آن بر‌روی هندسه عروق بررسی شد. برای سیالات نیوتونی از قانون پواسل و برای سیالات غیرنیوتونی از مدل قانون توانی در رژیم جریان آرام استفاده شد. با استفاده از مینیمم سازی انرژی متشکل از اتلاف انرژی به دلیل اثر لزجت و اتلاف انرژی متابولیکی سیالات بیولوژیکی اینگونه نتیجه گرفته شد که در حالت بهینه صرف نظر از نیوتونی و یا غیرنیوتونی بودن سیال، تنش برشی در سرتاسر سیستم انشعابی ثابت است. با استفاده از قانون بقای جرم و توجه بدین نکته که در حالت توزیع تنش برشی بهینه دبی حجمی سیال با قطر انشعاب به توان سوم رابطه مستقیم را داراست، رابطه بهینه میان قطرها استخراج شد. همچنین، رابطه توزیع بهینه تنش برشی در رژیم جریان مغشوش با استفاده از ضریب اصطکاک بدون بعد برای لوله های صاف و زبر با جریان آرام مقایسه شد. در جریان مغشوش توزیع تنش برشی ثابت نبوده بلکه با قطر شاخه ها و زبری سطوح دارای رابطه می‌‌باشد. با استفاده از تئوری ساختاری نیز به مینیمم سازی مقاومت جریان پرداخته شد که به همان رابطه بهینه میان قطرها منجرشد. همچنین تاثیر توزیع تنش برشی برای جریان های آرام و مغشوش بر‌روی اتلاف انرژی در اثر لزجت بررسی شد. نشان داده شد که در حالت توزیع بهینه تنش برشی، صرف نظر از آرام و یا مغشوش بودن جریان، اتلاف انرژی در اثر لزجت به طور مستقیم با حجم مجاری انتقال دارای رابطه مستقیم می‌باشد. همچنین، با استفاده از مینیمم سازی حجم رابطه‌ای برای زاویه انشعاب بهینه انشعاب ارایه شد. همچنین، با استفاده از مدل قانون توانی رابطه‌ای برای قطرها و زاویه انشعاب در حالت توزیع غیر بهینه تنش برشی ارایه شد. مطابق رابطه ارایه شده، زمانیکه تنش برشی در شاخه دختر نسبت به شاخه مادر افزایش می‌یابد زاویه انشعاب می‌باید نسبت به زاویه بهینه انشعاب در حالت بهینه، توزیع تنش برشی ثابت، کاهش یابد. همچنین، در این پایان‌نامه تاثیر عدد رینولدز برروی روابط استخراج شده بررسی می‌شود. هندسه‌های بررسی شده مشابه هندسه رگ آئورت و آرتریول انتخاب شدند. نتایج حاصل از شبیه‌سازی سه بعدی نشان داد که برای اعداد رینولدز کوچک، مقاومت جریان زمانی حداقل می‌شود که قطرهای شاخه های دختر و مادر از رابطه بهینه ارایه شده برای قطرها پیروی کند. شبیه‌سازی سه بعدی هندسه آئورت نشان داد که در اعداد رینولدز بالا در مقایسه با اعداد رینولدز پائین رفتار متفاوتی در رابطه با مقاومت جریان مشاهده می‌شود. در اعداد رینولدز بالا، مقاومت مینیمم زمانی مشاهده شد که قطرهای شاخه‌های مادر و دختر با یکدیگر برابر باشند. شبیه‌سازی اتلاف انرژی نیز نشان داد که برای اعداد رینولدز کم زمانی که زاویه انشعاب از رابطه بهینه پیروی کند، اتلاف انرژی مینیمم می‌شود. کلمات کلیدی: سیستم انشعابی، قانون موری، مقاومت جریان، تئوری ساختاری

ارتقاء امنیت وب با وف بومی