How hollow fibre deformability affects the microstructure of oxygenator bundles : an experimental and computational analysis

Several commercially available Hollow Fibre Membrane (HFM) oxygenators are subjected to a bundle press-fitting in a rigid housing. Nevertheless, the fibre deformability is typically neglected in the computational representation of the bundle and its fluid dynamic analysis. The aim of this study is to highlight how the fibre deformability could determines changes in the final configuration of the bundle and how idealized models cannot properly represent the real geometry. In particular, two aspects are here considered: the fibre - fibre interaction and the fibre - warp thread interaction. To determine a reliable deformed geometry, a material model is calibrated on the local compression of single fibre samples. Furthermore, the effect of the warp thread presence is studied experimentally to determine whether it could affect the overall mechanical response of the bundle and how it has to be represented in a computational model. Two material models are chosen: the Neo-Hookean model, which is able to capture reliably the loading phase of the curve, and the PRF model which consider the non-linear viscoelastic behaviour of the material and allows the analysis of time-dependent behaviours. The predictive ability of the material model is then evaluated through the macroscopic compression of overlapped layers, obtaining a good correspondence with the experimental tests. Four geometric parameters, such as the bundle tortuosity, are determined to preliminary highlight potential effects of the fibre deformability on the fluid dynamic response of the bundle. The computational analysis shows how an increased bundle deformation, leads to higher error committed describing that geometry with the undeformed configuration or by simply interpenetrate rigid hollow fibres. Furthermore, the thread-fibre interaction could represent a strong disturbing fluid flow region, where the fibre is also subjected to high stresses and strains, which can lead to plasticity or even ruptures. This study highlights that the fibre deformability is not a negligible factor influencing the fluid dynamic response of the HFM, for sure when high deformations are applied to the bundle.

Molti degli ossigenatori a membrana a fibra cava attualmente sul mercato sono soggetti ad un processo di “press-fitting” delle fibre in un contenitore rigido. Nonostante ciò, la deformabilità delle fibre è tipicamente trascurata nei modelli computazionali. Lo scopo di questo studio è mettere in luce come la deformabilità delle fibre possa determinare cambiamenti della configurazione finale del modulo e come modelli ideali non riescano a rappresentarne la reale geometria. In particolare, due aspetti vengono presi in considerazione: l’interazione tra fibre e l’interazione fibre-filo di ordito. Per determinare una geometria deformata affidabile, viene calibrato un modello di materiale su prove di compressione localizzata su singole fibre cave. Inoltre, l’effetto della presenza del filo di ordito è studiato a livello sperimentale per determinare se possa influire sulla risposta meccanica del sistema e come vada rappresentato in un modello computazionale. Sono stati scelti due modelli di materiale: da una parte il modello di Neo-Hookean, dall’altra un modello PRF che considera il comportamento viscoelastico non lineare del materiale e permette lo studio dei comportamenti tempo-dipendenti. La capacità predittiva del modello di materiale è poi valutata attraverso prove macroscopiche di compressione, ottenendo una buona corrispondenza con le prove sperimentali. Quattro parametri geometrici sono ottenuti per mettere in luce come la deformabilità delle fibre possa influenzare la risposta fluido dinamica del sistema. L’analisi computazionale mostra che un aumento della deformazione del modulo porta ad errori maggiori nella descrizione della geometria da parte di modelli ideali o che considerino la sola interpenetrazione di fibre rigide. Inoltre, l’interazione tra fibra e filo di ordito potrebbe rappresentare una condizione di non-idealità non trascurabile, dove la fibra è soggetta ad alti valori di sforzo e deformazione e dove il flusso risulta altamente disturbato. Questo studio mette in luce come la deformabilità della fibra risulti essere un fattore non trascurabile che potrebbe influenzare la risposta fluido dinamica del dispositivo.