The effect of turbulence modelling on platelet activation

Pathological platelet activation is one of the main problems in patients with mechanical heart valves (MHV). Nowadays, in order to determine the platelet activation state (PAS), computational fluid dynamics (CFD) is largely used. CFD models are accompanied by appropriate mathematical models that describe the relation between fluid dynamics variables, such as shear stresses, and platelet damage. In the last years, most of the research efforts have been directed in identifying which are the relevant physical quantities in the process of pathological activation, to improve the predictability of PAS. However, the effects of hydraulics models on Lagrangian statistics, such as the stress accumulation (SA), the shear rate (SR) and PAS itself, has not yet been ascertained. The main goal of this thesis is to study the flow around a MHV using different CFD models and then to compare them in terms of both Eulerian (velocity and shear stress fields) and Lagrangian quantities (SA, SR, PAS). In particular, five numerical simulations have been performed: a direct numerical simulation (DNS), a large eddy simulation (LES), two Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations and a laminar (no turbulence modelling) simulation. Results have shown large variability in the calculation of PAS depending on the model employed. The RANS k-omega model has shown good results for PAS, but not for the other Lagrangian statistics. In RANS RSM and laminar models all the analyzed quantities were underestimated. The LES model is the one that have brought to the most similar results to the DNS. However, a priori reasoning on the models could not justify the behavior of some results. Future works should be oriented in investigating more in depth PAS dependence on turbulence modelling.

L’attivazione piastrinica patologica è uno dei principali problemi nei pazienti portatori di una valvola cardiaca meccanica (MHV). Per determinare lo stato di attivazione piastrinica (PAS) è metodo comune oggigiorno ricorrere a simulazioni numeriche idrauliche (CFD). I modelli CFD sono associati a dei modelli matematici in grado di legare fra loro le variabili fluidodinamiche, come gli sforzi di taglio, e il danno piastrinico indotto. Negli ultimi anni la ricerca scientifica si è concentrata sulla determinazione delle quantità fisiche che più influenzano il PAS, al fine di migliorarne la predicibilità. L’effetto, tuttavia, dei vari modelli idraulici sulle statistiche lagrangiane, come lo stress accumulation (SA), lo shear rate (SR) e lo stesso PAS, non è ancora stato verificato. L’obiettivo principale di questo lavoro di tesi è quello di studiare il flusso attorno a una MHV impiegando diversi modelli CFD e di confrontare tra loro i risultati in termini sia euleriani (campi di velocità e sforzi di taglio) che lagrangiani (SA, SR, PAS). In particolare, sono state eseguite cinque simulazioni: una DNS (direct numerical simulation), una LES (large eddy simulation), due RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) e, infine, una simulazione laminare (ossia senza modello di turbolenza). Le simulazioni condotte hanno rivelato una grande variabilità nella determinazione del PAS a seconda del modello impiegato. Il modello RANS k-omega ha portato a risultati soddisfacenti per quanto riguarda il PAS ma non per le altre statistiche lagrangiane. Nei modelli RANS RSM e laminare si è osservata una sottostima di tutte le quantità analizzate. La LES, invece, è stata quella che ha rivelato risultati più simili alla DNS. Un ragionamento aprioristico sulla natura di tali modelli, tuttavia, non è stato in grado di giustificare il comportamento di alcuni risultati. Si ritiene pertanto che siano necessarie ulteriori indagini numeriche per comprendere al meglio la dipendenza di queste quantità dai diversi modelli idraulici.