Analisi CFD parametrica dell'influenza di variabili di progetto sul trasporto di gas in ossigenatori a fibre cave

The aim of this work was to evaluate the influence of some geometric parameters on blood flow and mass transfer in hollow fiber oxygenator, with the blood flowing over the outside of the fibers and the gas flowing inside the fiber lumen. Currently, empirical methods are the most used approaches for the design optimization of blood oxygenators and for characterizing their performance. But these approaches are costly and time-consuming. In this work, a microscale CFD approach was developed to investigate the effects of fiber packing (Ia) and inclination angle β on oxygenator performance. To this purpose, a parametric analysis was conducted to investigate blood flow and gas transfer performance of several 3D geometries that had various hollow fiber arrangements and orientations. A mathematical model of blood oxygenation and CO2 removal has been implemented. A non-Newtonian blood model was used as simulation fluid. The assumption of a fully-developed periodic flow was done. Pressure drop, fluid dynamics, hemoglobin saturation, O2 and CO2 concentrations have been obtained for each geometry. Numerical results indicate that a higher packing density and high values of fiber inclination angle are beneficial for O2 transfer. Geometries with Ia ≅ 0.5 mm and low values of β showed a better CO2 transfer. Low values of β and packing density are beneficial for pressure drop and shear stress. Numerical results demonstrated that a CFD approach is an effective tool to predict blood flow and gas transfer and it may be used as a guide for design optimization of blood oxygenators.

Lo scopo di questo lavoro è valutare l'influenza di alcuni parametri geometrici sul flusso sanguigno e sul trasporto di massa in ossigenatori a fibre cave, con il sangue che fluisce all’esterno delle fibre e il gas all’interno. Attualmente, i metodi empirici sono gli approcci più utilizzati per l’ottimizzazione del design di ossigenatori e per caratterizzare le loro prestazioni. Ma questi approcci sono costosi e lunghi. In questo lavoro, un approccio CFD alla microscala è stato sviluppato per studiare gli effetti dell’impacchettamento delle fibre (Ia) e dell’angolo d’inclinazione β sulle prestazioni dell’ossigenatore. Per questo scopo, è stata condotta una analisi parametrica per investigare il flusso sanguigno e l’efficienza nel trasferimento di gas in diverse geometrie 3D caratterizzate da differenti disposizioni e orientamenti delle fibre. E’ stato implementato un modello matematico di ossigenazione del sangue e di rimozione della CO2. E’ stato usato un modello di sangue non Newtoniano come fluido di simulazione. Si è assunto un flusso periodico completamente sviluppato. Per ogni geometria sono stati ottenuti i gradienti di pressione, la saturazione dell’emoglobina, le concentrazioni di O2 e di CO2. I risultati numerici indicano che un maggior impacchettamento ed elevati valori dell'angolo di inclinazione delle fibre sono utili per il trasferimento di O2. Geometrie con Ia ≅ 0,5 mm e bassi valori di β hanno mostrato un miglior trasferimento di CO2. Bassi valori di β e dell'impacchettamento delle fibre sono vantaggiosi per il gradiente di pressione e gli sforzi di taglio. I risultati numerici hanno dimostrato che un approccio CFD è uno strumento efficace per prevedere il flusso di sangue e il trasferimento di gas e può essere utilizzato come guida per l’ottimizzazione del design di ossigenatori per il sangue.