Topology optimization method applied to ventricular assis device impeller and volute design.

Abstract

Dispositivos de auxílio ventricular (DAV) são essencialmente bombas de pequena escala que auxiliam o bombeamento de sangue. O projeto de DAVs tem como principal requisito baixa tensão de cisalhamento a fim de evitar a destruição de hemácias. As topologias do rotor e voluta dessas bombas influenciam diretamente a condição do escoamento e consequentemente a tensão de cisalhamento. Este trabalho visa o otimizar o rotor e a voluta de um DAV radial, baseando-se no método de otimização topológica. A solução das equações constitutivas é feita utilizando-se o método de elementos finitos para a modelagem do escoamento de sangue, em um referencial rotativo no caso do rotor, e fixo no caso da voluta. O escoamento foi modelado com base no escoamento fluido em meio poroso utilizando a equação de Brinkman; além disso é considerado escoamento turbulento utilizando-se o modelo de Spalart-Allmaras. A função objetivo considerada é a minimização da energia de dissipação viscosa, visando-se, indiretamente, a redução da taxa de hemólise. A implementação dos algoritmos é realizada utilizando-se o ambiente FEniCS em conjunto com as bibliotecas do dolfin-adjoint e pyIpopt. As topologias otimizadas foram construídas utilizando-se impressão 3D. Os protótipos foram testados com água e os resultados utilizados para calibrar um modelo computacional 3D de um DAV completo. Por fim, o modelo foi simulado com sangue operando a 5 l/min e 100mmHg, e comparado com um rotor de pás retas, observando-se uma redução de 20% no valor de dissipação viscosa.

Topology optimization for 2D swirl flows with application in the design of a ventricular assist device.

“…The VAD pump design initially started with mechanical driving systems (i.e., mechanically coupling the motor and rotor shafts). However, most recent VAD pump designs consider the use of magnetic drives (i.e., the third generation VADs, mentioned in Section 1.1.1), which may act over the pump rotor radially (HOSHI et al, 2005;BUMRUNGPETCH, 2016;SÁ, 2016), such as CentriMag, or axially (HILTON;TANSLEY, 2008;SÁ et al, 2018;SÁ, 2019), such as Rotaflow. These driving systems can be viewed in Fig.…”

“…This is similar to a topology optimization filter/projection scheme (Section 2.5.7), but applied to the coordinates of the vertices instead of the values of the design variable (α). It is extended from the scheme implemented by Sá (2019), by considering the presence of generic contours and a different filtering scheme. If the interpolation of the design variable is not linear, it needs to be converted to a linear interpolation in order to apply the technique described in this section, because of the assumption that every node with a design variable value corresponds to a vertex of the mesh.…”