simulazione numerica di globuli rossi e trasporto di ossigeno in flussi complessi = Numerical simulation of red blood cells and oxygen transport in complex flows.

Nel presente lavoro di tesi si analizzano la dinamica delle capsule elastiche e il trasporto dell’ossigeno, al fine di comprendere i fenomeni fluidodinamici e strutturali che regolano l’interazione tra il flusso ematico, la deformazione della membrana e lo scambio gassoso nei dispositivi ECMO (Extra Corporeal Membrane Oxygenation). Dopo un’introduzione ai principi di funzionamento dei dispositivi ECMO e alle motivazioni fisiologiche che ne giustificano lo studio, viene descritto il quadro teorico del trasporto e dello scambio dell’ossigeno nel sangue. Successivamente, vengono presentate le equazioni di governo che descrivono il comportamento della fase fluida e delle membrane elastiche sottili. Lo sviluppo del lavoro è stato condotto per step successivi, partendo dallo studio di flussi semplici e introducendo progressivamente costrizioni e capsule, al fine di incrementare gradualmente la complessità del sistema. Il metodo numerico adottato prevede l’implementazione del Conservative Diffuse Interface per il tracciamento dell’interfaccia tra fluido e membrana e di un modello di interazione fluido–struttura che consente di simulare in modo stabile la deformazione delle capsule immerse nel flusso. Il metodo è stato validato sia in termini di deformazione della capsula — confrontandone i risultati con dati presenti in letteratura — sia attraverso il confronto tra il profilo di velocità numerico e la soluzione analitica di riferimento. Per consentire l’ingresso di capsule con diametro comparabile a quello della costrizione, è stato implementato un modello di forza repulsiva alla parete. Tale correzione si è resa necessaria poiché, in assenza di essa, la soluzione numerica non converge a causa dell’interazione diretta tra la capsula e la parete. È stato inoltre osservato che la deformazione della capsula varia sensibilmente al variare del numero capillare (Ca). Infine, è stato adottato un modello preliminare di assorbimento dell’ossigeno all’interno delle cellule, che costituisce la base per future estensioni volte a fornire una descrizione più completa del trasporto e dell’assorbimento dell’ossigeno nei dispositivi ECMO.