A simple model for cholesterol accumulation on the artery wall near stagnation points

Cardiovascular diseases are one of the leading causes of death in the first world countries nowadays and atherosclerosis is the most relevant among them. It is a disease that affects medium and large size arteries, which causes the formation of plaques within the artery wall. These plaques, called athero- mas, develop due to the accumulation of fat, cholesterol, cell debris, smooth muscle cells and other cells and substances. Atheromas may cause temporary or definitive lack of blood sup ply to organs, such as the heart or the brain. This article proposes a model for choles terol accumulation and fatty streak formation, which are possible precursors of atheroma. The model is basically a mass balance of low density lipoproteins (LDL) in the intima. The inflow, outflow, oxidation, and consumption of LDL is modeled combining partial models and en dothelial LDL permeability correlations avail able in the literature. A simple zero-dimensional case was run for assessing the sensibility of the model to the ini- tial conditions. A more complex case of a two- dimensional flow in the vecinity of a stagnation point on a rigid wall was used for evaluating the influence of spatial variations of the wall-shear stresses. Blood ow was assumed as an steady flow of an homogeneous newtonian fluid, while blood pressure and LDL blood concentration values were assumed as physiologic. Results showing local LDL mass accumula- tion and intimal thickening evolution for the first case, and spatial distribution of the initial intimal growth rate for the second one, indicate that there is a very short initial transient behaviour of LDL mass accumulation and inti- mal thickeness, which may well be considered instantaneous compared to the usual periods involved in the lesion formation. This allows the use of simple quasi-steady solution in future computational implementations of more realistic applications involving 3D arterial geometries with wall remodelling, that will significantly reduce the computational effort.Fil: Gessaghi, Valeria Cristina. Universidad Nacional de la Pampa. Facultad de Ingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Tanoni, Debora. Universidad Argentina de la Empresa. Facultad de Ingeniería y Ciencias Exactas; ArgentinaFil: Perazzo, Carlos Alberto. Universidad Favaloro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Larreteguy, Axel Eduardo. Universidad Argentina de la Empresa. Facultad de Ingeniería y Ciencias Exactas; Argentin

Analysis and simulation of thermal / viscose model for Melt Spinning process

El proceso de Melt Spinning es utilizado para la fabricación de cintas delgadas de materiales amorfos. El material se inyecta a través de una boquilla en estado líquido y se solidifica al entrar en contacto con una rueda rotante. En este trabajo se pretende encontrar mediante simulación computacional realizada con OpenFOAM® un perfil térmico del material desde su eyección por la boquilla hasta la conformación de la cinta propiamente dicha. Se utilizaun modelo de dos fases del tipo Volume of Fluids (VOF). A pesar de que ninguno de los dos fluidos (metal fundido y aire) puede considerarse compresible para las presiones de trabajo se utiliza un método de resolución de naturaleza compresible. Esto permite representar los cambios de densidad en el aire por cambios de temperatura y definir un modelo termofísico para la aleación. Para esto, se considera una aleación de conductividad térmica, calor específico y densidad constantes. El cambio de fase es representado por un modelo que relaciona viscosidad () con temperatura () en el cual la viscosidad crece varios órdenes de magnitud cuando el material pasa por debajo de la temperatura de cristalización. Entre las opciones de modelos viscosos que ofrece OpenFOAM®, se selecciona un modelo polinómico cuyos coeficientes fueron determinados mediante rutinas OCTAVE hasta lograr una curva dea juste [1] para la viscosidad dentro del rango de temperaturas de 600 a 1700ºC.The Melt Spinning process is used for thin ribbons manufacture of amorphous materials and nanocrystalline. The material in liquid state is injected through a nozzle and solidifies upon contact with a copper rotating wheel. In this work, we intend to find, by means of a computer simulation with OpenFOAM®, a thermal profile of the material from its ejection through the nozzle to the conformation of the ribbon itself. A two-phase model of the Volume of Fluids (VOF) type is used. Although neither of the two fluids (molten metal and air) can be considered compressible for working pressures, a resolution method of a compressible nature is used. This allows to represent the density changes in the air due to temperature changes, and to define a thermo-physical model for the specific alloy. For this, we considered an alloy of constant thermal conductivity, specific heat and density. The phase change is represented by a model that relates viscosity () with temperature () in which the viscosity increases several orders of magnitude when the material passes below the crystallization temperature. Among the options of viscous models offered by OpenFOAM®, we select a polynomial model whose coefficients were determined by OCTAVE routines until achieving a fitting curve [1] for the viscosity within the temperature range of 600 to 1700ºC.Fil: Barone, Marcelo Lucas. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería "Hilario Fernández Long". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería "Hilario Fernández Long"; Argentina. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Haedo; ArgentinaFil: Barceló, Francisco. Universidad Argentina de la Empresa; ArgentinaFil: Useche, Jairo. Universidad Tecnológica de Bolívar; ColombiaFil: Larreteguy, Axel Eduardo. Universidad Argentina de la Empresa; ArgentinaFil: Pagnola, Marcelo Rubén. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería "Hilario Fernández Long". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto de Tecnologías y Ciencias de la Ingeniería "Hilario Fernández Long"; Argentin

Simulación de inyección de caucho con OpenFOAM

El proceso de fabricación de piezas caucho incluye las etapas de mezcla de las materias primas para tener un material adecuado, el conformado de este material en un molde metálico caliente, y el acabado final de la pieza. La calidad de la pieza depende fuertemente de la forma en que ocurre el conformado, por lo que resulta de interés poder modelarlo y simularlo adecuadamente. Los métodos de conformado más utilizados son: compresión, compresión-transferencia, e inyección. El criterio de selección depende de varios factores entre los que se encuentran: la cantidad de piezas a fabricar, el tamaño de la pieza, el material elegido, y el equipo disponible, entre otros. Durante el conformado ocurren simultáneamente varios fenómenos: la transferencia de calor, el movimiento del material (no-Newtoniano), y la reacción de vulcanización. A esto debe agregarse la necesidad de identificar la posición de la interfase material-aire. Este trabajo se enfoca en el modelado y simulación del conformado por inyección de materiales reactivos no-Newtonianos. Para ello se tuvieron en cuenta modelos presentes en la literatura para representar el comportamiento del material. El modelo matemático resultante se implementó en el conjunto de librerías OpenFOAM y se hicieron corridas de verificación contra resultados propios y de otros autores.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 27.Facultad de Ingenierí

A pseudo-DNS method for the simulation of incompressible fluid flows with instabilities at different scale

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s40571-019-00264-xIn this work, a new model for the analysis of incompressible fluid flows with massive instabilities at different scales is presented. It relies on resolving all the instabilities at all scales without any additional model, i.e., following the direct numerical simulation style. Nevertheless, the computation is carried out at two levels or scales, termed the coarse and the fine. The fine-scale simulation is performed on representative volume elements providing the homogenized stress tensor as a function of several dimensionless numbers characterizing the flow. Consequently, the effect of the fine-scale instabilities is transferred to the coarse level as a homogenized stress tensor, a procedure inspired by standard multi-scale methods used in solids. The present proposal introduces a new way for the treatment of the flow at the fine scale, simulating not only the coarse scale but also the fine scale with all the necessary detail, but without incurring in the excessive computational cost of the classical DNS. Another interesting aspect of the present proposal is the use of a Lagrangian formulation for convecting the eddies simulated on the fine mesh through the coarse domain. Several examples showing the potentiality of this methodology for the simulation of homogeneous flows are presented.The authors express their most sincere gratitude to Xavier Oliver, Alfredo Huespe, and Pablo Sanchez for many fruitful discussions and valuable advises regarding the multi-scale methods. We sincerely thank Eugenio Oñate for continuous support and multiple suggestions for alleviating the problems faced in the development of the method.We also thank Pablo Becker for his trials which allowed us to obtain first unstable solutions on an RVE. Axel Larreteguy wishes to acknowledge the support from UADE and Banco Santander RIO through Grant BSR181. Juan Gimenez and Norberto Nigro wish to acknowledge CONICET, Universidad Nacional del Litoral (CAI+D 2016 PJ 50020150100018LI), and Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (PICT 2016-2908).Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Un estudio de estabilidad y convergencia en la simulación de ensayos de desplazamiento agua-petróleo utilizando OPENFOAM(R)

El paquete porousMultiphaseFoam de OpenFOAM(R) se utiliza para la simulación de flujos bifásicos incompresibles en medios porosos isotérmicos con efectos capilares. Las ecuaciones diferenciales que resultan de combinar las ecuaciones de continuidad y de movimiento de Darcy para cada fase se llevan a un sistema presión-saturación y se lo resuelve por el método IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation). Debido a la presencia de fuertes no linealidades, incluso con las restricciones en el paso temporal que provee el paquete (que se determinan fijando condiciones de Courant, CFL y de incremento de la saturación en una de las fases), la estabilidad y convergencia de la solución no se puede asegurar a priori. De hecho, existen situaciones en las que la solución es estable pero converge a valores que carecen de sentido físico. En este trabajo se abordarán dos casos en los que aparecerán situaciones como las descritas anteriormente. En una primer instancia, se tratará un caso unidimensional comparable con la solución analítica de Buckley-Leverett. Luego, un caso bidimensional durante los procesos de drenaje e imbibición, que serán contrastados con datos obtenidos de una celda de laboratorio tomados de la bibliografía. En ambos se estudiará la sensibilidad de la estabilidad y convergencia de la solución de acuerdo con los esquemas de interpolación disponibles en el programa, y el paso temporal y refinamiento de la malla elegidos. Esto forma parte de una investigación en curso en la que se espera poder utilizar OpenFOAM(R) para simular reservorios no convencionales.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 18Facultad de Ingenierí

Growth model for cholesterol accumulation in the wall of a simplified 3D geometry of the carotid bifurcation

Atherosclerosis is one of the leading causes of death in the first world countries nowadays. It is a vascular disease that affects medium and large size arteries, involving the formation of plaques within the artery wall. These plaques result from the accumulation of fat, cholesterol, cell debris, smooth muscle cells and other cells and substances, and may cause temporary or definitive lack of blood supply to an organ.This article proposes a model for cholesterol accumulation and plaque growth. The model is basically a mass balance of low density lipoproteins (LDL) in the intima. The inflow, outflow, oxidation, and consumption of LDL is modeled combining partial models and correlations available in the literature.The model was implemented into an open source finite volume code. Assuming steady blood flow, the code was used to predict lesion formation on a three-dimensional model of the carotid artery bifurcation, a location greatly studied for its role in supplying blood to some parts of the brain and for being related to strokes due to formation of atheromas. The simulation was carried out under physiologic conditions for blood pressure and LDL blood concentration.Results for LDL mass accumulation and intimal thickening over time, plaque shape, and location of thicker spots are reported, showing that the proposed model approximates reasonably well the intimal thickening obtained from post-mortem aortic fatty streaks and from B-mode ultrasonography of the carotid artery of healthy subjects reported by other authors.Fil: Gessaghi, Valeria Cristina. Universidad Nacional de la Pampa. Facultad de Ingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Raschi, Marcelo A.. Universidad Argentina de la Empresa. Facultad de Ingeniería y Ciencias Exactas; ArgentinaFil: Tanoni, Debora Y.. Universidad Argentina de la Empresa. Facultad de Ingeniería y Ciencias Exactas; ArgentinaFil: Perazzo, Carlos Alberto. Universidad Favaloro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Larreteguy, Axel Eduardo. Universidad Argentina de la Empresa. Facultad de Ingeniería y Ciencias Exactas; Argentin

Un estudio de estabilidad y convergencia en la simulación de ensayos de desplazamiento agua-petróleo utilizando OPENFOAM(R)

El paquete porousMultiphaseFoam de OpenFOAM(R) se utiliza para la simulación de flujos bifásicos incompresibles en medios porosos isotérmicos con efectos capilares. Las ecuaciones diferenciales que resultan de combinar las ecuaciones de continuidad y de movimiento de Darcy para cada fase se llevan a un sistema presión-saturación y se lo resuelve por el método IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation). Debido a la presencia de fuertes no linealidades, incluso con las restricciones en el paso temporal que provee el paquete (que se determinan fijando condiciones de Courant, CFL y de incremento de la saturación en una de las fases), la estabilidad y convergencia de la solución no se puede asegurar a priori. De hecho, existen situaciones en las que la solución es estable pero converge a valores que carecen de sentido físico. En este trabajo se abordarán dos casos en los que aparecerán situaciones como las descritas anteriormente. En una primer instancia, se tratará un caso unidimensional comparable con la solución analítica de Buckley-Leverett. Luego, un caso bidimensional durante los procesos de drenaje e imbibición, que serán contrastados con datos obtenidos de una celda de laboratorio tomados de la bibliografía. En ambos se estudiará la sensibilidad de la estabilidad y convergencia de la solución de acuerdo con los esquemas de interpolación disponibles en el programa, y el paso temporal y refinamiento de la malla elegidos. Esto forma parte de una investigación en curso en la que se espera poder utilizar OpenFOAM(R) para simular reservorios no convencionales.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 18Facultad de Ingenierí

Un estudio de estabilidad y convergencia en la simulación de ensayos de desplazamiento agua-petróleo utilizando OPENFOAM(R)

El paquete porousMultiphaseFoam de OpenFOAM(R) se utiliza para la simulación de flujos bifásicos incompresibles en medios porosos isotérmicos con efectos capilares. Las ecuaciones diferenciales que resultan de combinar las ecuaciones de continuidad y de movimiento de Darcy para cada fase se llevan a un sistema presión-saturación y se lo resuelve por el método IMPES (IMplicit Pressure Explicit Saturation). Debido a la presencia de fuertes no linealidades, incluso con las restricciones en el paso temporal que provee el paquete (que se determinan fijando condiciones de Courant, CFL y de incremento de la saturación en una de las fases), la estabilidad y convergencia de la solución no se puede asegurar a priori. De hecho, existen situaciones en las que la solución es estable pero converge a valores que carecen de sentido físico. En este trabajo se abordarán dos casos en los que aparecerán situaciones como las descritas anteriormente. En una primer instancia, se tratará un caso unidimensional comparable con la solución analítica de Buckley-Leverett. Luego, un caso bidimensional durante los procesos de drenaje e imbibición, que serán contrastados con datos obtenidos de una celda de laboratorio tomados de la bibliografía. En ambos se estudiará la sensibilidad de la estabilidad y convergencia de la solución de acuerdo con los esquemas de interpolación disponibles en el programa, y el paso temporal y refinamiento de la malla elegidos. Esto forma parte de una investigación en curso en la que se espera poder utilizar OpenFOAM(R) para simular reservorios no convencionales.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 18Facultad de Ingenierí

Simulación del proceso de melt spinning usando OPENFOAM

El proceso conocido como Melt Spinning es utilizado para la fabricación de cintas delgadas de materiales amorfos. El material se inyecta en estado líquido a través de una boquilla y se solidifica al entrar en contacto con un disco rotante. En este trabajo se encuentra mediante simulación computacional realizada con OpenFOAM el perfil térmico/viscoso del material desde su eyección por la boquilla hasta la conformación de la cinta sobre el disco. Se utiliza un modelo de dos fases del tipo “Volume of Fluids” (VOF). A pesar de que ninguno de los dos fluidos (metal fundido y aire) puede considerarse compresible para las presiones de trabajo se utiliza un resolvedor de naturaleza compresible. Esto permite representar los cambios de densidad en el aire por cambios de temperatura y definir un modelo termo-físico para la aleación, no disponible en resolvedores de naturaleza incompresible. Se considera una aleación de conductividad térmica, calor específico y densidad constantes. El cambio de fase es representado por un aumento de varios órdenes de magnitud en la viscosidad del material cuando su temperatura pasa por debajo de la temperatura de cristalización. A tal fin, se implementó en OpenFOAM un modelo viscoso seleccionado de la bibliografía que considera como constantes las viscosidades del metal en estado sólido y en estado líquido pero representa adecuadamente la variación de la viscosidad como función de la temperatura en el entorno de la temperatura de cristalización. Los resultados son comparados cualitativamente con resultados experimentales obtenidos en el marco de una tesis doctoral cuyo objetivo es el desarrollo de una máquina de conformado de materiales amorfos por melt-spinning a escala industrial.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 6Facultad de Ingenierí

Simulación del proceso de melt spinning usando OPENFOAM

El proceso conocido como Melt Spinning es utilizado para la fabricación de cintas delgadas de materiales amorfos. El material se inyecta en estado líquido a través de una boquilla y se solidifica al entrar en contacto con un disco rotante. En este trabajo se encuentra mediante simulación computacional realizada con OpenFOAM el perfil térmico/viscoso del material desde su eyección por la boquilla hasta la conformación de la cinta sobre el disco. Se utiliza un modelo de dos fases del tipo “Volume of Fluids” (VOF). A pesar de que ninguno de los dos fluidos (metal fundido y aire) puede considerarse compresible para las presiones de trabajo se utiliza un resolvedor de naturaleza compresible. Esto permite representar los cambios de densidad en el aire por cambios de temperatura y definir un modelo termo-físico para la aleación, no disponible en resolvedores de naturaleza incompresible. Se considera una aleación de conductividad térmica, calor específico y densidad constantes. El cambio de fase es representado por un aumento de varios órdenes de magnitud en la viscosidad del material cuando su temperatura pasa por debajo de la temperatura de cristalización. A tal fin, se implementó en OpenFOAM un modelo viscoso seleccionado de la bibliografía que considera como constantes las viscosidades del metal en estado sólido y en estado líquido pero representa adecuadamente la variación de la viscosidad como función de la temperatura en el entorno de la temperatura de cristalización. Los resultados son comparados cualitativamente con resultados experimentales obtenidos en el marco de una tesis doctoral cuyo objetivo es el desarrollo de una máquina de conformado de materiales amorfos por melt-spinning a escala industrial.Publicado en: Mecánica Computacional vol. XXXV, no. 6Facultad de Ingenierí