Αλληλεπίδραση ρευστού-κυτταρικού βιολογικού υλικού σε αγγεία και πορώδη μέσα

The scope of this work is the theoretical and computational modeling of the interaction between a Newtonian fluid and a cellular biological medium attached on the surface of a vessel. First and foremost, an extensive and comprehensive review is presented with regard to the available approaches for m...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Αλεξίου, Τερψιχόρη
Άλλοι συγγραφείς: Παύλου, Σταύρος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2013
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/6476
id nemertes-10889-6476
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Cellular biological media
Momentum transfer
Spatial averaging with a weight function
Poroelasticity
Airy stress function
Finite element method
Drag force
Κυτταρικά βιολογικά υλικά
Μεταφορά ορμής
Μέθοδος χωρικής στάθμισης με συνάρτηση βάρους
Ποροελαστικότητα
Τασική συνάρτηση Airy
Πεπερασμένα στοιχεία
Οπισθέλκουσα
620.106 4
spellingShingle Cellular biological media
Momentum transfer
Spatial averaging with a weight function
Poroelasticity
Airy stress function
Finite element method
Drag force
Κυτταρικά βιολογικά υλικά
Μεταφορά ορμής
Μέθοδος χωρικής στάθμισης με συνάρτηση βάρους
Ποροελαστικότητα
Τασική συνάρτηση Airy
Πεπερασμένα στοιχεία
Οπισθέλκουσα
620.106 4
Αλεξίου, Τερψιχόρη
Αλληλεπίδραση ρευστού-κυτταρικού βιολογικού υλικού σε αγγεία και πορώδη μέσα
description The scope of this work is the theoretical and computational modeling of the interaction between a Newtonian fluid and a cellular biological medium attached on the surface of a vessel. First and foremost, an extensive and comprehensive review is presented with regard to the available approaches for modeling momentum transfer within cellular biological media, including single-scale-single-phase approaches, Biot's poroelasticity, mixture theory, upscaling methods and multiscale computational equation free methods. Thereafter, at the cellular biological medium level, a theoretical model is developed for the description of momentum transfer within a poroelastic biomaterial, taking into account the interaction between the extracellular fluid and the solid skeleton that consists of cells and extracellular matrix (ECM). A continuum based formulation of momentum transport in a fluid-solid system at the finer spatial scale is used as starting point, and then the method of local spatial averaging with a weight function is implemented in order to establish the partial differential equations that describe the dynamics of fluid flow and matrix deformation at the coarser (macroscopic) spatial scale. In the special case of a homogeneous medium and under certain other conditions, the derived equations become similar to those which are postulated in the theory of interacting continua (mixture theory) and Biot's theory of poroelasticity. At the vessel level, the contribution of this work is twofold. First, a benchmark problem is developed for the validation of numerical methods used to solve problems that involve interactions between a fluid and a poroelastic material. Specifically, an analytical solution is developed for the problem of plane Couette-Poiseuille flow past a poroelastic layer. Second, a computational study is performed for plane Poiseuille flow past and through a semi-elliptical poroelastic biomaterial, which is attached to the surface of a straight vessel. Fluid flow in the clear fluid region is described by the Navier-Stokes equations, and momentum transfer within the biomaterial is described by the upscaled biphasic equations established in this work. The effect of the Reynolds and Darcy number that characterize the flow past and through the biomaterial, respectively, is investigated for obstacles with different configuration with respect to flow (semicircle, oblate semi-ellipse, prolate semi-ellipse). The distribution of the von Mises stress within the biomaterial is determined and, also, the drag and lift forces exerted by the fluid on the biomaterial are calculated.
author2 Παύλου, Σταύρος
author_facet Παύλου, Σταύρος
Αλεξίου, Τερψιχόρη
format Thesis
author Αλεξίου, Τερψιχόρη
author_sort Αλεξίου, Τερψιχόρη
title Αλληλεπίδραση ρευστού-κυτταρικού βιολογικού υλικού σε αγγεία και πορώδη μέσα
title_short Αλληλεπίδραση ρευστού-κυτταρικού βιολογικού υλικού σε αγγεία και πορώδη μέσα
title_full Αλληλεπίδραση ρευστού-κυτταρικού βιολογικού υλικού σε αγγεία και πορώδη μέσα
title_fullStr Αλληλεπίδραση ρευστού-κυτταρικού βιολογικού υλικού σε αγγεία και πορώδη μέσα
title_full_unstemmed Αλληλεπίδραση ρευστού-κυτταρικού βιολογικού υλικού σε αγγεία και πορώδη μέσα
title_sort αλληλεπίδραση ρευστού-κυτταρικού βιολογικού υλικού σε αγγεία και πορώδη μέσα
publishDate 2013
url http://hdl.handle.net/10889/6476
work_keys_str_mv AT alexiouterpsichorē allēlepidrasēreustoukyttarikoubiologikouylikouseangeiakaiporōdēmesa
_version_ 1771297227816304640
spelling nemertes-10889-64762022-09-05T14:09:36Z Αλληλεπίδραση ρευστού-κυτταρικού βιολογικού υλικού σε αγγεία και πορώδη μέσα Αλεξίου, Τερψιχόρη Παύλου, Σταύρος Αλκιβιάδης, Παγιατάκης Παύλου, Σταύρος Δάσιος, Γεώργιος Τσαμόπουλος, Ιωάννης Αικατερινάρης, Ιωάννης Μαυραντζάς, Βλάσιος Μπουργανός, Βασίλειος Πελεκάσης, Νικόλαος Alexiou, Terpsichori Cellular biological media Momentum transfer Spatial averaging with a weight function Poroelasticity Airy stress function Finite element method Drag force Κυτταρικά βιολογικά υλικά Μεταφορά ορμής Μέθοδος χωρικής στάθμισης με συνάρτηση βάρους Ποροελαστικότητα Τασική συνάρτηση Airy Πεπερασμένα στοιχεία Οπισθέλκουσα 620.106 4 The scope of this work is the theoretical and computational modeling of the interaction between a Newtonian fluid and a cellular biological medium attached on the surface of a vessel. First and foremost, an extensive and comprehensive review is presented with regard to the available approaches for modeling momentum transfer within cellular biological media, including single-scale-single-phase approaches, Biot's poroelasticity, mixture theory, upscaling methods and multiscale computational equation free methods. Thereafter, at the cellular biological medium level, a theoretical model is developed for the description of momentum transfer within a poroelastic biomaterial, taking into account the interaction between the extracellular fluid and the solid skeleton that consists of cells and extracellular matrix (ECM). A continuum based formulation of momentum transport in a fluid-solid system at the finer spatial scale is used as starting point, and then the method of local spatial averaging with a weight function is implemented in order to establish the partial differential equations that describe the dynamics of fluid flow and matrix deformation at the coarser (macroscopic) spatial scale. In the special case of a homogeneous medium and under certain other conditions, the derived equations become similar to those which are postulated in the theory of interacting continua (mixture theory) and Biot's theory of poroelasticity. At the vessel level, the contribution of this work is twofold. First, a benchmark problem is developed for the validation of numerical methods used to solve problems that involve interactions between a fluid and a poroelastic material. Specifically, an analytical solution is developed for the problem of plane Couette-Poiseuille flow past a poroelastic layer. Second, a computational study is performed for plane Poiseuille flow past and through a semi-elliptical poroelastic biomaterial, which is attached to the surface of a straight vessel. Fluid flow in the clear fluid region is described by the Navier-Stokes equations, and momentum transfer within the biomaterial is described by the upscaled biphasic equations established in this work. The effect of the Reynolds and Darcy number that characterize the flow past and through the biomaterial, respectively, is investigated for obstacles with different configuration with respect to flow (semicircle, oblate semi-ellipse, prolate semi-ellipse). The distribution of the von Mises stress within the biomaterial is determined and, also, the drag and lift forces exerted by the fluid on the biomaterial are calculated. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η θεωρητική και υπολογιστική μοντελοποίηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός Νευτώνειου ρευστού και ενός κυτταρικού βιολογικού υλικού το οποίο βρίσκεται προσκολημμένο στην επιφάνεια ενός αγγείου. Αρχικά παρουσιάζεται μια εκτεταμένη και περιεκτική ανασκόπηση των διαθέσιμων προσεγγίσεων για τη μοντελοποίηση της μεταφοράς ορμής σε κυτταρικά βιολογικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των προσεγγίσεων μιας κλίμακας και μιας φάσης, της θεωρίας ποροελαστικότητας του Biot, της θεωρίας αλληλεπιδρώντων συνεχών, των τεχνικών αλλαγής κλίμακας προς τα άνω, και τέλος, των υπολογιστικών τεχνικών πολλαπλών κλιμάκων χωρις τον ορισμό καταστατικών εξισώσεων. Στην συνέχεια, στο επίπεδο του κυτταρικού βιολογικού υλικού, αναπτύσεται ένα θεωρητικό μοντέλο για την περιγραφή της μεταφοράς ορμής εντός ενός ποροελαστικού υλικού, λαμβάνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση μεταξύ του εξωκυτταρικού ρευστού και της στερεής μήτρας που αποτελείται από τα κύτταρα και το δίκτυο εξωκυτταρικών πολυμερών. Ως σημείο εκκίνησης στην μικρότερη κλίμακα παρατήρησης, χρησιμοποιείται μια περιγραφή της μεταφοράς ορμής που βασίζεται σε ένα συνεχές μοντέλο και έπειτα εφαρμόζεται η μέθοδος χωρικής στάθμισης μέσω συνάρτησης βάρους προκειμένου να εξαχθούν οι μερικές διαφορικές εξισώσεις που περιγράφουν την δυναμική της ροής του εξωκυτταρικού ρευστού και της παραμόρφωσης της στερεής μήτρας στην μακροσκοπική κλίμακα. Για την ειδική περίπτωση ενός ομογενούς μέσου και υπό την ισχύ ορισμένων πρόσθετων συνθηκών, οι εξαχθείσες εξισώσεις λαμβάνουν μορφή παρόμοια με αυτή των αντίστοιχων εξισώσεων οι οποίες ισχύουν στην θεωρία αλληλεπιδρώντων συνεχών καθώς και στην θεωρία ποροελαστικότητας του Biot. Στο επίπεδο του αγγείου, η συνεισφορά της παρούσας εργασίας λαμβάνει χώρα σε δύο άξονες. Κατά πρώτον, αναπτύσσεται ένα πρότυπο πρόβλημα το οποίο μπορεί να χρησιμεύσει για την επαλήθευση αριθμητικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται για την επίλυση προβλημάτων στα οποία ενέχεται η αλληλεπίδραση ενός ρευστού με ένα ποροελαστικό υλικό. Συγκεκριμένα, εξάγεται μια αναλυτική λύση σε κλειστή μορφή για το πρόβλημα της επίπεδης ροής Couette-Poiseuille μέσα και γύρω από ένα ποροελαστικό στρώμα. Κατά δεύτερον, διεξάγεται μια υπολογιστική μελέτη της επίπεδης ροής Poiseuille μέσα και γύρω από ένα ημιελλειπτικό ποροελαστικό βιολογικό υλικό, το οποίο βρίσκεται προσκολημμένο στην επιφάνεια ενός ευθύγραμμου αγγείου. Στην περιοχή καθαρού ρευστού, η ροή περιγράφεται από τις εξισώσεις Navier-Stokes , ενώ η μεταφορά ορμής εντός του βιολογικού υλικού περιγράφεται με τις εξισώσεις που εξήχθησαν σε αυτή την εργασία μέσω της μεθόδου χωρικής στάθμισης. Η επίδραση των αριθμών Reynolds και Darcy, οι οποίοι χαρακτηρίζουν τη ροή γύρω και μέσα από το βιολογικό υλικό αντίστοιχα, διερευνάται για εμπόδια με διάφορες γωμετρικές διαμορφώσεις (ημικύκλιο, και ημιέλλειψη). Προσδιορίζεται η χωρική κατανομή της τάσης von Mises εντός του βιολογικού υλικού και, επιπρόσθετα, υπολογίζονται η οπισθέλκουσα και η ανυψωτική δύναμη που ασκούνται από το ρευστό στο υλικό. 2013-12-06T10:41:10Z 2013-12-06T10:41:10Z 2012 2013-12-06 Thesis http://hdl.handle.net/10889/6476 en Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 12 application/pdf