TURBULENCE MODELING IN THE NUMERICAL ESTIMATION OF HEMOLYSIS IN HEMODIALYSIS CANNULAE / Modelado de turbulencia en la estimación numérica de hemólisis en cánulas de diálisis

Resumen

In recent years, CFD has become an increasingly used tool in the design of blood-based devices. Particularly, the estimationof red blood cells damage (hemolysis) becomes a very important challenge to CFD scientists since the blood is a complexfluid present in turbulent regime in most pumping devices. Thus, previous CFD studies on blood hemolysis lack ofappropriate turbulence modeling and consequently, reliable relationships between hydraulic results and hematologicalresponses. Cannula geometries were studied to numerically assess a relatively simple flow with well documented laboratoryhematological data. For benchmarking purposes, numerical data from a coaxial jet array direct numerical simulation (DNS)was used in the selection of the most appropriate and economical turbulence model to be used in the cannula numericalanalysis. Velocity and stress time-averaged profiles were compared between DNS results and RANS simulations withdifferent turbulence models. These results, pointed to the Shear Stress Transport with Gamma-Theta transition model asthe appropriate turbulence model in that geometry. Accurate and reliable hydrodynamic CFD results were obtained for thecannula as an important previous step to the study and development of further hematological calculations with a minimumdegree of uncertainty in the flow field. These hematological calculations led to interesting results about the important roleplayed by turbulence modeling in hemolysis estimation.

RESUMEN

En años recientes, la dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés) se ha venido utilizando en formacreciente en el diseño de dispositivos que manejen sangre. En particular, la estimación de la ruptura de glóbulos rojos(hemólisis) representa un importante reto para los científicos, ya que la sangre es un fluido complejo presente en régimenturbulento en la mayoría de los dispositivos. Asimismo, los estudios previos de hemólisis utilizando CFD carecen de unmodelaje apropiado de turbulencia, y consecuentemente, de una relación confiable entre los resultados hidráulicos y larespuesta hematológica. Se estudió la geometría de cánulas para evaluar un flujo relativamente simple del cual se disponendatos experimentales de hemólisis. Para la validación del modelo de turbulencia, se utilizó una simulación numérica directa(DNS por sus siglas en inglés) de un arreglo de chorros coaxiales, para así seleccionar el modelo de turbulencia másapropiado para el análisis de las cánulas. Los perfiles de velocidad y de esfuerzo cortante promediados temporalmentefueron comparados entre el DNS y las simulaciones RANS con distintos modelos de turbulencia. Se obtuvo que el modelode turbulencia más adecuado para la cánula es el de Transporte de Esfuerzos Cortantes con transición modelo Gamma-Theta. De esta manera se pudieron obtener resultados hidrodinámicos confiables, que serán utilizados en posteriorescálculos de hemólisis, con un mínimo de incertidumbre en el campo de flujo.Palabras clave: Sangre, Hemólisis, Cánula, Turbulencia, Validación.