Publication

Implicit coupling of one-dimensional and three-dimensional blood flow models with compliant vessels

Résumé

Simulating arterial trees in the cardiovascular system can be made by the help of different models, depending on the outputs of interest and the desired degree of accuracy. In particular, one-dimensional fluid-structure interaction models for arteries are very effective in reproducing the physiological pressure wave propagation and in providing quantities like pressure and velocity, averaged on the cross section of the arterial lumen. In locations where one-dimensional models cannot capture the complete flow dynamics, e.g., in presence of stenoses and aneurysms, three-dimensional coupled fluid-structure interaction models are necessary to evaluate, for instance, critical factors responsible for pathologies which are associated to hemodynamics. In this work we formalize and investigate the geometrical multiscale problem, where heterogeneous fluid-structure interaction models for arteries are implicitly coupled. We introduce new coupling algorithms, describe their implementation and investigate on simple geometries the numerical reflections that occur at the interface between the heterogeneous models. We also simulate on a supercomputer a three-dimensional abdominal aorta under physiological conditions, coupled with up to six one-dimensional models representing the surrounding arterial branches. Finally, we compare CPU times and number of coupling iterations for different algorithms and time discretizations.

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Concepts associés (32)
Dimension
Le terme dimension, du latin dimensio « action de mesurer », désigne d’abord chacune des grandeurs d’un objet : longueur, largeur et profondeur, épaisseur ou hauteur, ou encore son diamètre si c'est une pièce de révolution. L’acception a dérivé de deux façons différentes en physique et en mathématiques. En physique, la dimension qualifie une grandeur indépendamment de son unité de mesure, tandis qu’en mathématiques, la notion de dimension correspond au nombre de grandeurs nécessaires pour identifier un objet, avec des définitions spécifiques selon le type d’objet (algébrique, topologique ou combinatoire notamment).
Trois dimensions
Trois dimensions, tridimensionnel ou 3D sont des expressions qui caractérisent l'espace qui nous entoure, tel que perçu par notre vision, en ce qui concerne la largeur, la hauteur et la profondeur. Le terme « 3D » est également (et improprement) utilisé (surtout en anglais) pour désigner la représentation en (numérique), le relief des images stéréoscopiques ou autres , et même parfois le simple effet stéréophonique, qui ne peut par construction rendre que de la 2D (il ne s'agit donc que du calcul des projections perspectives, des ombrages, des rendus de matières).
One-dimensional space
In physics and mathematics, a sequence of n numbers can specify a location in n-dimensional space. When n = 1, the set of all such locations is called a one-dimensional space. An example of a one-dimensional space is the number line, where the position of each point on it can be described by a single number. In algebraic geometry there are several structures that are technically one-dimensional spaces but referred to in other terms. A field k is a one-dimensional vector space over itself.
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