Advanced computational methods for modeling the fluid dynamics inside fiber bundles of blood oxygenators

Blood oxygenators are devices commonly used during extracorporeal circulation to temporarily replace lung function exploiting bundles of thousands of polymeric hollow fibers for the gas transfer. Numerical simulations of blood oxygenators appear to be a potential tool for optimizing device design, but the complexity of the problem to be simulated and some limitations in current models limit their use. For this reason, the aim of this doctoral thesis is to develop advanced computational methodologies that enable accurate modeling of fluid dynamics within the fiber bundle with a view to providing greater credibility to CFD simulations. Namely, the research focused on methodologies for accurate modeling the fiber bundle microstructure, the hematocrit distribution within the fiber bundle, and the fluid dynamics at the device scale. To account in modeling the microstructure of the fiber bundle for the deformations that the fibers undergo in the device assembly process, experimental tests and numerical simulations were performed to characterize the deformability of commercial fibers and investigate the variation of the microstructure of the fiber bundle under different assembly conditions. CFD simulations showed an important impact of fiber bundle deformations on the fluid dynamics inside the bundle with a significant decrease in bundle permeability as the degree of bundle press-fitting inside the device increases. Numerical predictions were validated by means of experimental testing on prototype oxygenators. A multiphase model of blood was developed and validated to numerically simulate the heterogeneity in red blood cell distribution within the fiber bundle highlighted by literature microfluidics tests. Numerical simulation showed the presence of specific patterns in the hematocrit distribution in commercial fiber bundles, of particular interest for further investigations of gas exchange. To overcome the limitations of the current porous medium approach for modeling the fiber bundle in simulations at the device scale, a methodology was developed to account for the bundle microstructure when estimating the flow distribution within the device. Comparison of this methodology against a numerical gold standard and experimental literature data showed more reliable and robust numerical predictions than the current literature approach. The coupling of the developed methodological approaches could provide an advanced tool for the numerical investigation of the fluid dynamics of a blood oxygenator toward a deeper insight into local phenomena and more accurate prediction of device performance.

Gli ossigenatori del sangue sono dispositivi comunemente utilizzati in procedure di circolazione extracorporea per sostituire il funzionamento dei polmoni sfruttando fasci di migliaia di fibre cave polimeriche per lo scambio gassoso. Simulazioni numeriche di ossigenatori del sangue risultano essere un potenziale strumento per ottimizzare il design del dispositivo, tuttavia, la complessità del problema da simulare e alcune limitazioni negli attuali modelli numerici rendono limitato il loro utilizzo. Per questo motivo, l'obiettivo di questa tesi di dottorato è quello di sviluppare metodologie computazionali avanzate che consentano una modellazione accurata della fluidodinamica all'interno del fascio di fibre, al fine di fornire una maggiore credibilità alle simulazioni CFD. In particolare, la ricerca si è focalizzata su metodologie per una modellazione accurata della microstruttura del fascio di fibre, della distribuzione dell’ematocrito all’interno del fascio di fibre e della fluidodinamica a livello della scala del dispositivo. Per tener conto nella modellazione della microstruttura del fascio di fibre delle deformazioni che le fibre subiscono nel processo di assemblaggio del dispositivo sono stati realizzati test sperimentali per la caratterizzazione della deformabilità di fibre commerciali e simulazioni numeriche per indagare la variazione della microstruttura del fascio di fibre sotto diverse condizioni di assemblaggio. Simulazioni CFD hanno mostrato un importante impatto delle deformazioni del fascio di fibre sulla fluidodinamica all’interno del fascio con una significativa diminuzione della permeabilità del fascio al crescere del grado di press-fitting del fascio all’interno del dispositivo. Le predizioni numeriche sono state validate per mezzo di test sperimentali su prototipi di ossigenatori. È stato inoltre sviluppato e validato un modello multifase di sangue per simulare numericamente l’eterogeneità nella distribuzione dei globuli rossi all’interno del fascio di fibre messa in luce in letteratura da test sperimentali di microfluidica. La simulazione numerica ha mostrato la presenza di particolari pattern nella distribuzione dell’ematocrito di fasci di fibre commerciali, di particolare interesse per successive indagini dello scambio gassoso. Per superare i limiti dell’attuale approccio con mezzo poroso per la modellazione del fascio di fibre in simulazioni alla scala del dispositivo, è stata sviluppata una metodologia per tener conto della microstruttura del fascio nella stima della distribuzione della portata all’interno del dispositivo. Il confronto di tale metodologia rispetto ad un gold standard numerico e ai dati sperimentali di letteratura ha mostrato una predizione numerica più affidabile e robusta rispetto all’attuale approccio di letteratura. L’accoppiamento degli approcci metodologici sviluppati potrebbe fornire uno strumento avanzato per l’indagine numerica della fluidodinamica di un ossigenatore del sangue verso una migliore comprensione dei fenomeni locali e una predizione più accurata delle performance del dispositivo.