Modélisation et analyse de la dynamique des fluides viscoélastiques soumis à un forçage oscillatoire : application à la clairance du mucus
Auteur / Autrice : | Amirhosein Nosrat kharazmi |
Direction : | Julien Favier, Umberto d' Ortona |
Type : | Projet de thèse |
Discipline(s) : | Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique et Physique des Fluides |
Date : | Soutenance en 2023 |
Etablissement(s) : | Aix-Marseille |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : M2P2 - Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres |
Jury : | Président / Présidente : Alistair Revell |
Examinateurs / Examinatrices : Julien Favier, Umberto D'ortona, Isabelle Cheylan, Hugues Bodiguel, Gonçalo Silva | |
Rapporteur / Rapporteuse : Hugues Bodiguel, Gonçalo Silva |
Mots clés
Résumé
Les fluides viscoélastiques sont omniprésents dans le corps humain et plus généralement dans la nature, et leur étude offre de nombreuses applications dans divers secteurs industriels, notamment la santé, la biomédecine et l'industrie pharmaceutique. Ils fonctionnent comme des fluides non newtoniens dans plusieurs structures des systèmes vivants, notamment le réseau cardiovasculaire-pulmonaire humain, le sang et le mucus, présentant à la fois des caractéristiques visqueuses et élastiques. En raison de leur comportement complexe, la simulation numérique de la dynamique de ces fluides reste difficile en raison de la nature non linéaire des équations et des instabilités numériques associées. Dans ce travail, un écoulement viscoélastique soumis à une sollicitation instationnaire est simulé numériquement en résolvant les équations de la quantité de mouvement couplées à une équation constitutive du fluide, à savoir le modèle d'Oldroyd-B. Pour surmonter les instabilités numériques résultant des effets élastiques élevés, une méthode hybride de lattice Boltzmann et de différences finies est proposée pour résoudre respectivement les parties visqueuses et élastiques. L'approche numérique est validée sur plusieurs cas tests numériques de référence, notamment le vortex de Taylor-Green, l'écoulement de Poiseuille en deux dimensions et l'écoulement en deux dimensions autour d'un cylindre. Les résultats présentent une bonne concordance avec les solutions analytiques et les données de référence de la littérature. Une analyse physique de la dynamique des écoulements de fluides viscoélastiques forcés est réalisée dans le contexte de l'élimination du mucus dans le système respiratoire humain. Les résultats montrent que le débit de mucus le plus élevé peut être atteint en cas de résonance, c'est-à-dire lorsque la fréquence de l'écoulement de Womersley correspond à la fréquence naturelle du fluide viscoélastique. Une augmentation de l'élasticité s'avère entraîner un débit moyen plus élevé dans le cas des fluides viscoélastiques à écoulement rhéofluidifiant, tandis que pour les fluides viscoélastiques newtoniens, le débit moyen est indépendant de l'élasticité. En revanche, le débit diminue en ajoutant une contrainte de seuil à un fluide élasto-viscoplastique. Ces résultats revêtent une signification particulière dans le contexte des dispositifs biomédicaux visant à améliorer l'élimination mucociliaire du mucus bronchique. Mots-clés : méthode de lattice Boltzmann, fluide viscoélastique, équation d'Oldroyd-B, écoulement non newtonien, mucus, sollicitation périodique, élimination bronchique.