Simulation de la cavitation dans les vaisseaux sanguins à l'aide du suivi de front parallèle

Numerical Simulations of Cavitation in Blood Vessels Using Parallel Front Tracking Method

• Auteur / Autrice : Ahmed Basil Kottilingal
• Direction : Stéphane Zaleski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Popinet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ruben Scardovelli, Taraneh Sayadi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manolis Gavaises, Stéphane Vincent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vaisseaux sanguins

Médicaments -- Modes d'administration

Compressibilité

Sonoporation

Cavitation

Interaction fluide-structure

Mots clés libres

Interaction fluide-structure

Cavitation

Sonoporation

Administration ciblée de médicaments

Écoulements compressibles

Suivi d'Interface

Fluid Structure Interaction

Cavitation

Sonoporation

Targeted Drug Delivery

Compressible Flows

Interface Tracking

Résumé

L'administration ciblée de médicaments, utilisant la cavitation acoustique de microbulles enrobées (MB), constitue actuellement un domaine de recherche important en biologie médicale. En raison de caractère multiforme des phénomènes mis en jeu, modélisation numérique des phénomènes ciblés l’administration de médicaments est une tâche complexe. Cette thèse se concentre principalement sur la mise en œuvre de méthodes de frontières immergées (ainsi que de méthodes de suivi de front) pour capturer les écoulements multiphasiques compressibles et les interactions fluide-structure entre les fluides et les fines parois capillaires élastiques. Ces modèles sont indispensables pour simuler l'administration de médicaments. La méthode des limites immergées est appliquée dans un cadre de raffinement de maillage adaptatif basé sur les cellules. De plus, cette thèse se penche sur les défis associés avec des modèles évolutifs pour le raffinement adaptatif du maillage (AMR) immergé méthodes de frontière. Partition du maillage eulérien visant une communication optimisée parmi les processeurs parallèles dans les solveurs qui utilisent à la fois le maillage de surface lagrangien et Le maillage eulérien basé sur l'AMR est un défi en raison des différents types de communication impliquée (Lagrangien à Eulérien, Eulérien à Lagrangien, Lagrangien à Lagrangien) et également en raison de la nature adaptative du maillage eulérien. La thèse propose une partition du maillage lagrangien de telle sorte que chaque processeur possède les sommets locaux du maillage et maintient une couche fantôme d'éléments et les sommets, ce qui garantit que tous les sommets locaux ont leurs sommets de valence, bords et éléments soit dans la partition locale, soit dans la couche fantôme. Cette sorte de partitionnement est optimale pour la communication mais nécessite une synchronisation des algorithmes pour les opérations des opérations de remaillage frontal et de modification de la topologie frontale. Le solveur d'écoulement multiphasique compressible, implémenté à l'aide du suivi frontal, étend le solveur All-Mach basé sur la méthode de volume de fluide (VoF) développé par Fuster et Popinet, qui gère la compressibilité des fluides et les effets de tension superficielle.

Targeted Drug Delivery, using acoustic cavitation of coated microbubbles (MB), is currently a significant area of research in medicinal biology. Due to the multifaceted nature of the phenomena involved, numerical modeling of targeted drug delivery is a complex task. This thesis primarily focuses on the implementation of immersed boundary methods (along with front tracking methods) to capture compressible multiphase flows and fluid-structure interactions between fluids and thin elastic capillary walls. These models are essential for simulating drug delivery. The immersed boundary method is applied within a cell-based adaptive mesh refinement framework. Additionally, this thesis delves into addressing the challenges associated with scalable models for adaptive mesh refinement (AMR)-based immersed boundary methods. Partition of the Eulerian Mesh aiming for optimized communication among parallel processors in solvers that use both Lagrangian Surface Mesh and AMR-based Eulerian mesh is challenging because of the different types of communication involved ( Lagrangian to Eulerian, Eulerian to Lagrangian, Lagrangian to Lagrangian) and also due to the adaptive nature of the Eulerian Mesh. The thesis proposes a partition of Lagrangian mesh such a way that each processor owns the local vertices of the mesh and maintains a ghost layer of elements and vertices, which ensures all the local vertices have their valence vertices, edges, and elements either in the local partition or the ghost layer. This kind of partitioning is optimal for communication but requires synchronized algorithms for operations involving front regridding and front topology operations. The compressible multiphase flow solver, implemented using front tracking, extends the Volume-of-Fluid (VoF)-based All-Mach solver developed by Fuster and Popinet, which handles compressibility of both the fluids and surface tension effects.