Vers la simulation des écoulements sanguins

Towards Blood Flow Simulation

• Auteur / Autrice : Vincent Chabannes
• Direction : Christophe Prud'homme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques Appliquées
• Date : Soutenance le 08/07/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LJK - Laboratoire Jean Kuntzmann
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : EDP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sang -- Débit

Galerkine, Méthodes de

Mots clés libres

Méthodes de Galerkin d'ordre élévé

Couplage fluide structure

Écoulement sanguin

Calcul hautes performances et hybrides

High order Galerkin methods

Fluid structure interaction

Blood flow

High performance and hybrid computing

Résumé

Contrairement aux liquides ordinaires, les fluides complexes comme le sang exhibent des comportements étranges qui dépendent essentiellement des structures sous-jacentes qui les composent. La simulation des écoulements sanguins continue de poser un formidable défi pour les modélisations théoriques et numériques dont l'intérêt est de développer des méthodes et des outils de simulation pour la communauté médicale. Nous proposons dans cette thèse une contribution à ce projet qui sera majoritairement centré sur les aspects numériques et informatiques. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'interaction entre le sang et la paroi vasculaire, qui joue un rôle important dans les grandes artères comme l'aorte. Nous nous sommes aussi investis dans la simulation du transport des cellules sanguines dans le sang. Pour la résolution des équations aux dérivées partielles décrivant nos modèles d'hémodynamique, nous avons choisi d'utiliser des méthodes numériques dont la précision pourra être accrue de manière arbitraire. Dans ce but, les principaux ingrédients qui ont été mis en oeuvre sont (i) la méthode des éléments finis basée sur des approximations de Galerkin d'ordre arbitraire en espace et géométrie, (ii) la méthode ALE pour la prise en compte de la mobilité des domaines pour des déplacements d'ordre arbitraire, (iii) les couplages implicites et semi-implicites pour l'interaction fluide-structure. Nous proposons également une nouvelle formulation de la méthode de la frontière élargie visant à modéliser le transport de particules déformables immergées dans un fluide. Nos simulations numériques se sont appuyées sur la librairie de calcul Feel++, spécialisée dans la résolution d'EDP. Outre l'implémentation des modèles physiques, nous y avons développé diverses fonctionnalités nécessaires à la mise en oeuvre de nos méthodes : interpolation, méthode de Galerkin non standard, méthode ALE, environnement pour l'interaction fluide-structure. De plus, de par la taille des géométries et la complexité des modèles mis en jeu, le passage au calcul parallèle a été indispensable pour pouvoir réaliser nos simulations. Ainsi, nous avons décrit le développement qui a été effectué dans cette librairie pour permettre le déploiement de nos programmes sur des architectures parallèles.

Unlike ordinary liquids, complex fluids such as blood exhibit strange behavior mainly dependent underlying structures that compose them. Simulation of blood flow remains a formidable challenge for theoretical and numerical modeling whose interest is to develop methods and simulation tools for the medical community. We propose in this work a contribution to this project will be mainly focused on numerical and computational aspects. We are particularly interested in the interaction between the blood and the vascular wall, which plays an important role in the large arteries as the aorta. We also invested in transport simulation of blood cells in the blood. For solving partial differential equations describing our hemodynamic models we chose to use numerical methods whose accuracy can be increased arbitrarily. For this purpose, the main ingredients that have been used are textit {(i)} the finite element method based on Galerkin approximations of arbitrary order in space and geometry, (i) the ALE method for taking into account the mobility of areas for movements of arbitrary order, (ii) the implicit and semi-implicit coupling for fluid-structure interaction. We also propose a new formulation of the method of boundary extended to model the transport of deformable particles immersed in a fluid. Our numerical simulations were based on the library Feel++ specializing on the EDP resolution. In addition to implementing physical models, we have developed various features are necessary for the implementation our methods: interpolation, Galerkin non-standard method, ALE method, framework for fluid-structure interaction. In addition, the size and geometry of the complexity of the models involved, the transition to parallel computing was essential in order to achieve our simulations. Thus, we have described the development was carried out in the library to allow deployment of our programs on parallel architectures.