Fluid-Struktur-Wechselwirkung eines pulsierenden Flusses mit einem Modells der Aortenklappe: Eine kombinierte experimentelle und numerische Studie

Das komplexe Problem der Fluid-Struktur-Wechselwirkung, das mit dem Blutfluss durch eine Herzklappe mit flexiblen Blättern verbunden ist, wird sowohl experimentell als auch numerisch untersucht. Im experimentellen Prüfstand erzeugt ein Pulsduplikator einen pulsierenden Fluss durch eine biomimetische starre Aortenwurzel, in die ein Modell einer Aortenklappe mit flexiblen Polymerblättern implantiert ist. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Bewegung der Blätter und Messungen der Partikelbildgeschwindigkeitsmessung wurden zusammen durchgeführt, um die Kinematik der Klappe und die Dynamik des Flusses zu untersuchen. Auch große Wirbel-Simulationen der gleichen Konfiguration, basierend auf einer Variante der immersierten Randmethode, werden präsentiert. Ein massiv paralleler unstrukturierter Finite-Volumen-Strömungslöser wird mit einem Finite-Elemente-Lösesystem für Festkörpermechanik gekoppelt, um die Fluid-Struktur-Wechselwirkung zwischen dem instationären Fluss und der Klappe vorherzusagen. Eine detaillierte Analyse der Dynamik des Öffnens und Schließens der Klappe wird durchgeführt, wobei eine gute quantitative Übereinstimmung zwischen dem Experiment und der Simulation hinsichtlich des globalen Verhaltens gezeigt wird, trotz einiger Unterschiede bezüglich der individuellen Dynamik der Klappenblätter. Eine Multicycles-Analyse (über mehr als 20 Zyklen) ermöglicht die Charakterisierung der Turbulenzgenerierung stromabwärts der Klappe und zeigt ähnliche Strömungseigenschaften zwischen dem Experiment und der Simulation. Der Fluss wechselt nach dem Gipfel der Systole zur Turbulenz, wenn der Fluss zu bremsen beginnt. Fluktuationen werden im Nachlauf der Klappe beobachtet, wobei die maximale Amplitude an der Kommissurseite der Aorta beobachtet wird. Insgesamt wird ein sehr vielversprechender Vergleich zwischen Experiment und Simulation gezeigt, der das Potenzial der numerischen Methode demonstriert.