CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:………………………………………………………

Cán bộ chấm nhận xét 1:………………………………………………………….

Cán bộ chấm nhận xét 2:………………………………………………………….

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……. tháng ……. năm ……


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
------------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC
--------------------------------------

Tp.HCM, ngày …… tháng …… năm 2008
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17-11-1981

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: CƠ KỸ THUẬT

MSHV: 02305535

I-TÊN ĐỀ TÀI:
MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY MÁU TRONG ĐỘNG MẠCH DÙNG ANSYS
II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu cơ bản về hệ thống tuần hoàn máu và hướng nghiên cứu trên thế giới để
mơ phỏng dịng chảy máu trong động mạch.

-

Mơ phỏng dịng chảy máu trong động mạch ứng với hai trường hợp thành mạch
cứng tuyệt đối và thành mạch bị biến dạng. Kết hợp so sánh kết quả với một số kết
quả thực nghiệm và lý thuyết đã cơng bố.

III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV-NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ:
V-CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CB BỘ MƠN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày …… tháng ……. Năm ……
TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến nhà trường, quý thầy cô trường
Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã hết lịng truyền dạy những kiến thức trong hai
năm học ở trường. Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS.Trương Tích Thiện người đã
trực tiếp hướng dẫn tận tình cũng như truyền đạt những kiến thức quý báu giúp em hoàn
thành luận văn tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn thầy TS.Nguyễn Tường Long,
đã truyền đạt những kiến thức hữu ích về tính tốn trong phần mềm ANSYS.
Tơi xin chân thành cảm ơn GS.TS.Lê Văn Thành (Đại học Y Dược Tp.HCM), bác
sĩ Ngọc (Khoa Tim mạch, Bệnh viện Hoàn Mỹ) đã truyền đạt những kiến thức quý báu
trong lĩnh vực y học, đặc biệt là những kiến thức trong lĩnh vực tim mạch.
Con xin chân thành cảm ơn ba mẹ, người đã sinh thành, lo cho con ăn học. Người
đã chăm sóc cho con từng miếng ăn, giấc ngủ, luôn động viên và ở bên con những lúc
con vui hay buồn. Công ơn của ba mẹ con luôn ghi nhớ ở trong lịng khơng bao giờ qn.
Cuối cùng tơi xin cảm ơn các bạn Nhã, Khương, Vinh (bộ môn Cơ Kỹ Thuật) đã
giúp đỡ và tận tình hướng dẫn những kiến thức ban đầu về phần mềm tính tốn ANSYS
Workbench và phần mềm Catia.
Xin chân thành cảm ơn tất cả.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 05 năm 2008
Nguyễn Thanh Hoàng King


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Các bệnh về tim mạch là một trong những nguyên nhân tử vong hàng đầu, theo
thống kê hàng năm trên thế giới có khoảng 17 triệu người chết vì các bệnh liên quan đến

tim mạch. Nội dung chính của báo cáo này là mơ phỏng dịng chảy máu trong mạch trong
nhiều trường hợp khác nhau dùng phần mềm tính tốn Ansys. Phân tích sự những ảnh
hưởng tác động của dòng chảy máu đến các bệnh về tim mạch đứng dưới góc độ cơ học.
Căn cứ vào kết quả mơ phỏng có thể chỉ ra những những vị trí nguy hiểm, những vùng
xốy cục bộ, vùng có nguy cơ lắng cặn cao…
Ngồi ra, báo cáo cũng trình bày kết quả mơ phỏng dịng chảy máu trong trường
hợp thành mạch máu biến dạng (bài tốn cặp đơi rắn – lỏng). Kết quả mô phỏng này sẽ
giúp cho các nhà y học có cái nhìn trực quan hơn đối với dòng chảy máu trong mạch
cũng như những tác động của dòng chảy đến biến dạng của thành mạch.


MỤC LỤC
Chương 1 TỔNG QUAN
1.Dẫn nhập..................................................................................................................1
2.Tổng quan về FSI.....................................................................................................3
3.FSI trong ANSYS ....................................................................................................7
4.Một số kết quả đã công bố trên thế giới ..................................................................9
4.1.Blood simulation 2003 .....................................................................................9
4.2.Bộ phận cấy ghép ...........................................................................................10
4.3.Cardiac pump .................................................................................................13

Chương 2 LÝ THUYẾT CƠ LƯU CHẤT
1.Phân loại chuyển động của dòng lưu chất .............................................................17
1.1.Phân loại theo ma sát nhớt .............................................................................17
1.2.Phân loại theo tính nén được..........................................................................19
2.Phương trình ..........................................................................................................21
2.1.Phương trình liên tục......................................................................................21
2.2.Phương trình động lượng ...............................................................................22
2.3.Phương trình năng lượng đối với dịng lưu chất nén được ............................24
2.4.Phương trình năng lượng đối với dịng lưu chất khơng nén được .................26

Chương 3 LÝ THUYẾT VẬT RẮN BIẾN DẠNG
1.Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng...............................................................31
2.Ma trận cấu trúc .....................................................................................................36
3.Giải bài toán vật rắn biến dạng bằng phương pháp PTHH ...................................38


Chương 4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ............................................................................43
1.Mơ hình 1 ..............................................................................................................43
1.1.Dịng chảy dừng .............................................................................................44
1.2.Dịng chảy q độ...........................................................................................50
2.Mơ hình 2...............................................................................................................54
2.1.Mơ hình thực nghiệm của Ojha......................................................................52
2.2.Khảo sát dòng chảy ở những tỉ lệ hẹp mạch khác nhau ................................59
3.Mơ hình 3...............................................................................................................65
3.1.Trường hợp 1: thành mạch cứng tuyệt đối.....................................................67
3.2.Trường hợp 2: thành mạch biến dạng ............................................................68
3.3.Trường hợp 3: thành mạch biến dạng xơ vữa 1 vị trí ....................................72
3.3.Trường hợp 4: thành mạch biến dạng xơ vữa 3 vị trí ....................................74

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................77

PHỤ LỤC .......................................................................................................................79
Phụ lục I: Lý thuyết dòng Poisseuille.......................................................................79
Phụ lục II: Lý thuyết về máu và hệ mạch .................................................................85

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................100


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN


Chương 1

TỔNG QUAN

1.DẪN NHẬP
Ngày nay, các bệnh liên quan đến tim mạch đã lên ngôi đầu bảng trong danh sách
xếp hạng các nguyên nhân phổ biến dẫn đến tử vong. Theo thống kê của tổ chức y tế thế
giới (WHO), hàng năm có khoảng 6.5 triệu người chết vì các bệnh liên quan đến tim
mạch. Ở Việt Nam, theo thống kê của bộ y tế cứ 100 ngàn người thì có 103.97 người mắc
bệnh liên quan đến tim mạch. Thông thường các bệnh liên quan đến tim mạch (tai biến,
đột quị, sơ vữa mạch, huyết áp cao….) thường xảy ra ở những người cao tuổi, nhưng theo
những thống kê gần đây của các bệnh viện tỉnh thành phố ở nước ta cho thấy số người
mắc bệnh trẻ (dưới 50 tuổi) ngày càng tăng lên đáng kể.
Việc tìm hiểu ngun nhân gây bệnh khơng cịn là nhiệm vụ riêng của các nhà lâm
sàng, của bác sĩ mà nó còn là mục tiêu nghiên cứu đầy thử thách đối với cả các nhà tốn
học, cơ học, cũng như hóa học… Tuy phương pháp nghiên cứu có khác nhau nhưng cùng
chung một mục đích là tìm hiểu, giải thích ngun nhân, cơ chế dẫn đến đột quị để có
phương pháp phòng chống, chữa trị hiệu quả.
Khoảng đầu những năm 50 các nhà cơ học đã bắt đầu quan tâm đến lĩnh vực này.
Họ cố gắng tìm ra mối liên quan giữa dòng chảy với các tổn thương thành mạch. Cũng
với sự phát triển của khoa học công nghệ, tốc độ xử lý của máy tính ngày càng tăng lên
giúp cho các nhà khoa học có khả năng mơ phỏng ngày càng chính xác hơn dịng chảy
máu trong mạch. Từ bài toán chảy tầng sang rối, từ bài toán thành cứng tuyệt đối sang bài
tốn thành mạch biến dạng….
Tình hình chung của thế giới là như vậy, ở Việt Nam hiện nay việc nghiên cứu sâu
vào dòng chảy máu trong mạch dường như vẫn là thế giới riêng của các nhà y học. Nội
dung nghiên cứu của luận văn này đề cập đến một hướng tiếp cận mới (ở Việt Nam) của
người làm cơ học đến bài tốn mơ phỏng dịng chảy máu trong y học. Hướng tiếp cận này
HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING


-1-

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

thuần túy về mặt cơ học khơng đi quá sâu vào sinh lý học của hệ mạch. Nội dung chính
của luận văn là khảo sát, mơ phỏng trạng thái dòng chảy máu (trên nền phần mềm
ANSYS) trong những trường hợp bị hẹp mạch, phân tính trạng thái dịng chảy chỉ ra
những vùng nguy hiểm có thể là nguyên nhân gây ra những bệnh về mạch máu (xơ vữa,
tắc nghẽn…). Ngồi ra kết quả mơ phỏng cịn được so sánh với một số kết quả thực
nghiệm và kết quả mô phỏng của một số tác giả khác đã công bố trong những năm gần
đây. Một phần cũng khá quan trọng trong luận văn này là mô phỏng bài toán 2 pha tương
tác rắn – lỏng (Fluid Solid Interaction), mơ phỏng bài tốn FSI sẽ giúp chúng ta có cái
nhìn trực quan hơn về sự biến dạng của thành mạch máu cũng như ảnh hưởng của biến
dạng thành mạch đến dòng chảy máu trong mạch.
Với những nội dung cụ thể trên, tác giả mong muốn có thể giúp cho các nhà cơ
học mở rộng thêm lĩnh vực nghiên cứu của mình, từ đó có thể hợp tác với các nhà y học
trong việc nghiên cứu lâm sàng các bệnh liên quan đến dịng chảy máu trong mạch. Mặc
khác, mơ phỏng được dòng chảy máu trong mạch dùng FSI sẽ giúp đỡ nhiều trong việc
giảng dạy, giúp các bác sĩ tương lai có cái nhìn trực quan hơn về dịng chảy máu trong
mạch.

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

-2-

Năm học: 2005-2007



GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

2.TỔNG QUAN VỀ FSI (FLUID STRUCTURE INTERACTION)
Mơ phỏng ngày càng trở nên hết sức phổ biến trong rất nhiều lĩnh vực của cơng
nghiệp và nghiên cứu. Nó giúp tối ưu các các thiết kế dẫn đến giảm chi phí trong q
trình sản xuất. Ngày nay u cầu nâng cao độ chính xác của các mơ phỏng là hết sức cần
thiết, vì thế các bài tốn mơ phỏng ngày càng trở nên phức tạp hơn. Từ những bài tốn
mơ phỏng một mơi trường riêng lẻ như rắn, lỏng, khí… chuyển sang những bài tốn mơ
phỏng đa mơi trường vật lý (multiphysis) phức tạp hơn rất nhiều.

Hình 1.1 Mơ phỏng dịng lưu chất (khơng khí) chuyển động quanh thân xe F1

Vấn đề quan trọng và cũng là khó khăn nhất của các bài tốn đa mơi trường là vấn
đề tương tác giữa lưu chất và cấu trúc (FSI: fluid-structure interactions). Ví dụ như tương
tác giữa các cấu trúc chuyển động hoặc biến dạng đàn hồi với dòng chảy lưu chất bên
trong hoặc bên ngồi nó. Các bài tốn FSI rất đa dạng và phong phú từ mái lều to lớn cho
đến đến những micro bơm nhỏ xíu, từ chiếc dù cho đến dòng chảy máu trong động mạch.

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

-3-

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Các bài tốn mơ phỏng cặp đơi FSI chia làm hai dạng chính như sau:
-


Tương tác một chiều (one – way FSI): mô phỏng FSI đối với những cấu

trúc có biến dạng rất nhỏ và những biến dạng này khơng ảnh hưởng nhiều đến
sự thay đổi dịng chảy của lưu chất. Ví dụ như dịng chảy trong khớp nối dưới
đây. Trong trường hợp này, phần lớn ứng suất nhiệt của cấu trúc rắn đều được
gây ra bởi biến thiên nhiệt (thermal gradients) trong dòng lưu chất. Tuy nhiên
độ biến dạng của cấu trúc rắn rất nhỏ, không ảnh hưởng nhiều đến dịng lưu
chất. Mơ hình này cho phép tính tốn CFD và FEA độc lập nhau, tải tác dụng
chỉ có một chiều từ dịng lưu chất qua cấu trúc rắn. Ứng dụng phổ biến của
nhất của FSI một chiều là giải quyết các bài toán nhiệt - ứng suất (thermal –
stress problems). Dòng chảy lưu chất rất phức tạp và CFD xác định điều kiện
truyền nhiệt tại vùng tiếp xúc rắn lỏng.

Hình 1.2 Mơ phỏng dịng lưu chất trong ống dẫn

-

Tương tác hai chiều (two – way FSI): trường hợp này xảy ra khi dòng lưu

chất tác động vào cấu trúc làm cho cấu trúc biến dạng, sự thay đổi hình dạng của
cấu trúc sẽ tác động ngược trở lại làm thay đổi tính chất của dịng chảy lưu chất.
Ví dụ dịng chảy của máu trong mạch.

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

-4-

Năm học: 2005-2007



GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Hình 1.3 Mơ phỏng dịng chảy máu trong mạch dùng ANSYS FSI

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

-5-

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

3.FSI trong ANSYS

Hình 1.4 Đường dịng chất khí quanh máy bay

ANSYS FSI cung cấp đầy đủ các giải pháp thiết kế và phân tích cấu trúc, với hệ
thống công cụ trường cặp đôi mềm dẻo và tiên tiến. Tương tác lưu chất – cấu trúc có rất
nhiều ứng dụng trong công nghiệp như cơ y sinh (mô phỏng dịng chảy máu trong mạch,
hỗ trợ q trình thiết kế ống dẫn mạch máu trong cơ thể người, hỗ trợ q trình thiết kế
van tim nhân tạo…), hàng khơng (foil flutter), xây dựng (tính tác động của gió lên cơng
trình)…
Đối với các bài tốn cặp đơi sử dụng CFD và FEA, các mơ hình này có thể chạy
độc lập với nhau. Hầu hết các phần mềm thương mại CFD và FEA đều hỗ trợ quá trình
truyền dữ liệu giữa hai mơ hình. Tuy nhiên, để chắc chắn rằng mơ hình CFD và FEA độc
lập lẫn nhau có thể mơ phỏng chính xác (cả kích thước và vị trí) thì phục thuộc rất nhiều
vào người sử dụng, vì sai sót trong quá trình truyền dữ liệu xảy ra rất phổ biến. Việc sử
dụng mơ hình hình học chia sẻ trong mơi trường ANSYS Workbench loại trừ được sai

sót này.
ANSYS 11 cải tiến cả hai chức năng mô phỏng FSI một chiều và hai chiều, chúng
ta có thể sử dụng được cả hai chức năng này trong một môi trường duy nhất là ANSYS
HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

-6-

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Workbench. Trong trường hợp cấu trúc biến dạng lớn làm ảnh hưởng ngược trở lại tới
dòng lưu chất thì phải sử dụng FSI hai chiều. Một số ví dụ trong cơng nghiệp như:
-

Sự rung lắc của cánh máy bay

-

Sự rung lắc của nắp capô xe hơi

-

Tác động nhất thời của gió lên các tịa nhà, cầu…

-

Dịng chảy máu và van trong mạch máu
Trong những trường hợp này, cả ANSYS và ANSYS CFX phải được chạy đồng


thời và sẽ truyền thông tin qua lại giữa hai ứng dụng. Cặp đơi ANSYS và ANSYS CFX
được hợp nhất, q trình truyền thơng tin được tích hợp sẵn trong đó khơng cần bất kỳ
phần mềm nào khác. Cặp đôi FSI hai chiều sử dụng ANSYS Multi-field giải quyết bài
toán hai chiều biến đổi theo thời gian hoặc dừng cho chuyển động và biến dạng của cấu
trúc hình học .
ANSYS Multi-field Solver Technology: ANSYS Multi-field solver cung cấp một
cơ cấu dễ dàng (easy-to-use framework) để giải quyết các bài tốn cặp đơi trong rất nhiều
lĩnh vực công nghiệp mới. Giải pháp này của ANSYS áp dụng được trong nhiều loại môi
trường vật lý khác nhau. Cặp đôi ANSYS CFX hỗ trợ các tương tác lưu chất – cấu trúc,
ANSYS sẽ giải bài toán cấu trúc và CFX giải bài toán lưu chất.
Chức năng nâng cao của Multi-field solver technology cho phép giải cấu trúc và
lưu chất đồng thời trên cùng một máy tính hoặc trên các máy tính khác nhau, từ đó cho
phép giải những bài tốn có qui mơ lớn hơn. Multi-field coupling hỗ trợ công nghệ giải
tiếp nội bộ (inter-process communication). Cơng nghệ này chắc chắn giúp cho CFX có
thể chạy song song với bất kỳ ứng dụng khác mà khơng can thiệp hay bị xung đột với
ứng dụng đó. Vì thế, lưu chất và cấu trúc có thể được tính tốn trên những máy tính khác
nhau, từ đó ta có thể giảm thời tính tốn và mơ phỏng một cách đáng kể với số lượng
máy tính lớn.

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

-7-

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Một số nét đặc trưng Advanced FSI của ANSYS:

•

Lưu chất và cấu trúc được ứng xử như hai vùng độc lập nhau về mơ hình

hình học và chia lưới
•

Cho phép chia lưới khác nhau ở từng mơ hình (các điểm nút trên vùng

tương tác có thể khơng trùng nhau)
•

Tải tác động qua lại giữa hai mơ hình có thể là tải bề mặt hoặc tải thể tích

•

Lưu chất và cấu trúc có thể giải ở hai máy tính khác nhau

•

Cấu trúc lặp của hai mơ hình có thể khác nhau

•

Tự động điều chỉnh cấu trúc lưới

•

Vật liệu phi tuyến


•

Xuất kết quả độc lập cho từng mơi trường

•

ANSYS CFX dùng để chạy và điều khiển mô phỏng cặp đơi CFX ANSYS

•

Kết quả CFD và FEA có thể xử lý cùng lúc trong post-processed của

ANSYS CFX post-processor
Một số lợi ích khi sử dụng Advanced FSI:
•

Sử dụng một mơi trường phần mềm duy nhất với giao diện thân thiện giúp

cho người sử dụng có thể học và sử dụng dễ dàng
•

Khơng cần mơ hình thứ ba nào can thiệp và không cần thêm bất kỳ phần

mềm nào để xử lý kết quả, dẫn đến giảm chi phí mua phần mềm, đỡ tốn thời gian
học, sử dụng và quản lý phần mềm mới
•

Tải tác dụng giữa FEA và CFD được bảo tồn

•


Có thể dùng xử lý song song để giải quyết các bài tốn FSI ở qui mơ lớn

•

FSI có thể sử dụng thông qua mạng LAN, WAN và Internet

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

-8-

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

4. MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐÃ CƠNG BỐ TRÊN THẾ GIỚI
4.1 Blood Simulation 2003
Ngày nay bệnh liên quan đến tim mạch trở nên hết sứ phổ biến. Ít vận động và thức
ăn nhanh đã làm gia tăng các bệnh về tim mạch và đột quị. Theo hiệp hội tim Hoa Kỳ
(American Heart Asociation), 20% người sau 40 tuổi bị những bệnh về tim.
Vào năm 2001, Đại học Sheffiedld và Viện năng lượng hạt nhân (Atomic Energy
Authority - UK) cho ra đời phần mềm BLOODSIM 2.0. Được sự giúp đỡ của IDAC
Ailen (một công ty hàng đầu trên thế giới trong lĩnh vực tư vấn về kỹ thuật), các cộng tác
viên đã thành cơng trong việc tích hợp 2 công cụ phần mềm mô phỏng lớn hiện nay là
ANSYS và CFX trong việc giải quyết dịng/kết cấu 3D.

Hình 1.5 Mô phỏng van tim dùng BLOODSIM

Theo IDAC, việc kết hợp giữa ANSYS (finite element technology) và CFX

(computational fluid dynamics) cho phép mơ phỏng dịng máu trong động mạch và qua
van tim. Hơn nữa ANSYS/CFX cịn có những phân nhánh dành cho những ngành khác
có những vấn đề liên quan đến dịng chảy/kế cấu như hàng khơng, khoa học vũ trụ và

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

-9-

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

ơtơ… Tiến sĩ Rodney Hose (Đại học Sheffield) cho rằng việc phát triển BloodSim sẽ tạo
thuận lợi rất lớn trong việc phân nghiên cứu chế tạo các thiết bị y tế.
BloodSim giúp chúng ta mô phỏng được dịng máu qua van tim nhân tạo trong vịng
tuần hồn máu bao gồm cả q trình đóng mở của van tim, shear stress sinh ra trong qua
trình này có thể gây nguy hại cho các tế bào máu. Bước tiếp theo của BloodSim là phải
mơ phỏng được q trình đóng cặn của máu (bài tốn nhiều pha) để có thể tìm ra cách
chống lại bệnh liên quan đến tim mạch
4.2 Bộ phận cấy ghép
Một trong những thử thách lớn nhất của nền y học hiện đại là làm sao có thể khắc
phục được sự phình to của đơng mạch bụng bằng phương pháp sử dụng bộ phận cấy ghép
(lưới kim loại cộng với vật liệu cấy ghép tổng hợp). Thiết bị này được đưa vào trong
động mạch chủ để gia cố thành động mạch. Tuy nhiên nếu thiết bị này rời khỏi vị trí của
nó làm cho đoạn thành động mạch yếu này có áp lực lớn dẫn đến sự phình to có thể gây
vỡ động mạch. Tìm hiểu sự thích ứng của các thiết bị cấy ghép trong cơ thể và tìm ra vị
trí hợp lý để đặt chúng là cơng việc chính của nhóm Biomechanical Engineering
Research Group (BERG), Đại học Bắc Carolina. Nhóm này sử dụng CFX kết hợp với
ANSYS để nghiên cứu về động mạch chủ trước và sau khi đặt các thiết bị cấy ghép để

xem chúng có “sống” được hay cần phải loại bỏ.
Hầu hết các nghiên cứu đều thừa nhận rằng thành động mạch có động cứng phụ
thuộc vào sự thay đổi áp lực máu (thay đổi theo nhịp đập của tim) và bề dày của thành
động mạch là hằng số (mặc dù điều này không luôn luôn đúng nhất là với những bệnh
nhân già bị tăng huyết áp hay đã từng bị phình động mạch).

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

- 10 -

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Hình 1.6 Bộ phận cấy ghép thay thế thành động mạch

Khi thiết bị cấy ghép trượt khỏi vị trí cần đặt thì thành động mạch (yếu hoặc bị tổn
thương) sẽ phải đối mặt với áp lực cao do sự co dãn theo nhịp đập của tim, dẫn đến tổn
thương và gây tử vong. Thành động mạch bị phình to là được xếp thứ 13 trong số các
nguyên nhân gây tử vong ở Mỹ.

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

- 11 -

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN


Hình 1.7 Chuyển vị của thành mạch (mô phỏng trên ANSYS CFX)

Các thiết bị này đều được mơ hình trong CFX và ANSYS để tính tốn phản lực tác
dụng lên trong những điều kiện cấy ghép khác nhau. Nhóm đã sử dụng nhiều mẫu bằng
cách thay đổi kích thước cổ động mạch, bề dày thành, nhiều loại kết cấu khác nhau
(multi-structure) …. CFX post-processor cùng với project đã giúp cho nhóm có cái nhìn
thấu đáo hơn về các ứng xử vật lý, nơi nào các tiểu huyết cầu hoặc low density
lipoprotein (LDLs) có thể đóng cặn, từ đó có thể tối ưu được thiết kế và vị trị đặt thiết bị
cấy ghép. Kết quả từ CFX và ANSYS đều được kiểm nghiệm lại với thực nghiệm và hồ
sơ bệnh án.

Hình 1.8 Mơ phỏng dịng chảy trong trường hợp đặt thiết bị cấy ghép
(thay thế thành mạch bị tổn thương)
HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

- 12 -

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Hình 1.9 Phân bố vận tốc và ứng suất trong q trình mơ phỏng

4.3 Cardiac pump
Các nhà nghiên cứu ở Cleveland Clinic Foundation (CCF), một trong những bệnh
viện nghiên cứu lớn nhất thế giới, sử dụng ANSYS CFX CFD để tối ưu thiết kế của
catheter và rotary pump (cho các bệnh nhân chờ để phẫu thuật tim).
-


Catheter pump được thiết kế để giúp đỡ dòng máu lưu thông tốt hơn, thông thường
chỉ trong một khoảng thời gian ngắn.

-

Rotary pump được thiết kế để tạo dòng máu liên tục trong khoảng thời gian dài (có
thể kéo dài đến hàng tháng) và nó có thể thay thế được chức năng của tim.

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

- 13 -

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Hình 1.10 Trường vận tốc mơ phỏng trong ống bơm
HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

- 14 -

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

CCF là một trong những trung tâm có nhiều kinh nghiệm và nghiên cứu chuyên sâu
về lĩnh vực tim nhân tạo. Tiến sĩ Willem J.Kolff là người đầu tiên cấy được tim chó nhân

tạo vào năm 1957. Với những kết quả đạt được với CFD tương lai tim nhân tạo sẽ nhỏ
gọn hơn và an toàn hơn cho bệnh nhân.
Đường kính của bánh cơng tác là 4mm, tốc độ 60.000 vòng/phút. Cấu tạo bơm bao
gồm: 1 stator, 1 bánh công tác, 2 bộ nam châm vĩnh cữu (hoạt động như giá đệm ở trước
và sau bơm). Dòng máu đi vào ngõ trước của bơm, sau đưa gia tốc lệch một góc 45. Đây
là thiết kết tốt nhất để làm cho shear stress trong bơm nhỏ nhất có thể (đảm bảo rằng
hồng cầu không bị phá hủy) (nếu điều đó xảy ra thì bệnh nhân sẽ bị tình trạng thiếu máu,
rất nguy hiểm). Tất cả các mẫu thiết kế nếu có 1 vùng nhỏ trong bơm dịng có vận tốc
thấp hay xoay vòng (recirculation) đều phải bị loại bỏ, vì điều đó sẽ là cho máu bị ứ đọng
và đóng cục. ANSYS CFX được chọn để thiết kế bơm vì nó đã tính tốn đường dịng rất
chính xác trong các máy turbo. Mơ hình tính tốn của nó bao gồm khoảng 900.000 và
hơn 3 triệu phần tử cho phần chất lỏng. Đối với lớp biên các phần tử chóp và tứ diện
được sử dụng, khoảng 2.4 trị tứ diện, 850.000 nêm và 26.000 hình chóp. Sử dụng 4 CPU
chạy song song (CPU: 2.0 GHz, 2 GB Ram, 34 GB đĩa cứng) trong 20 giờ.

HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

- 15 -

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Hình 1.12 Vector vận tốc mơ tả dòng vào impeller. Bơm được thiết kết để tối thiểu ứng suất trượt và xốy

HVTH: NGUYỄN THANH HỒNG KING

- 16 -


Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT CƠ LƯU CHẤT

1.PHÂN LOẠI CHUYỂN ĐỘNG CỦA DÒNG LƯU CHẤT
1.1.Phân loại theo ma sát nhớt:
Khi nói đến chuyển động lưu chất, ta thường đề cập tới của chuyển động của dòng
lưu chất lý tưởng và chuyển động của dòng lưu chất thực.
Lưu chất được xem là lý tưởng, khi lưu chất đó khơng có tính nhớt nghĩa là khơng
có lực ma sát cản trở sự chuyển động của các phần tử lưu chất. Trong thực tế, mọi lưu
chất đều có tính nhớt, nên việc nghiên cứu các bài tốn về dịng lưu chất lý tưởng chỉ
dùng khi giả thiết bỏ qua tính nhớt để đơn giản bài tốn hoặc khi tính nhớt ảnh hưởng rất
ít đến dịng chảy.
Trong trường hợp lưu chất thực có ma sát thì phân ra làm hai loại chuyển động:
chuyển động tầng và chuyển động rối. Osborne Reynolds (1883) là người đầu tiên làm thí
nghiệm chứng minh sự tồn tại của hai chuyển động trên.
Chuyển động tầng: các phần tử lưu chất chuyển động theo các đường song song
với nhau, vị trí của các phần tử lưu chất trên các mặt ngang giữ vị trí khơng đổi so với
thành ống.
Chuyển động rối: các phần tử lưu chất chuyển động lộn xộn, không theo một trật
tự nhất định, vận tốc dao động liên tục theo cả trị số và phương. Vận tốc dao động nên áp
suất cũng dao động theo.
Khi chuyển động của một phần tử lưu chất bị nhiễu, lực qn tính có khuynh
hướng làm thay đổi vận tốc, trong khi đó lực ma sát nhớt do các phần tử bao quanh có
khuynh hướng giữ nó ở trạng thái cũ. Trong chuyển động tầng, lực quán tính nhỏ, lực ma

sát nhớt sẽ giữ cho các phần tử của lưu chất chuyển động theo một trật tự nhất định.
Trong chuyển động rối lực ma sát nhớt không đủ sức để khống chế các nhiễu động. Tiêu
HVTH: NGUYỄN THANH HOÀNG KING

- 17 -

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

chuẩn để xác định loại trạng thái chảy tầng hay rối là tỉ số giữa lực ma sát nhớt và lực
qn tính.

Fqt
Fms

ρL2 v 2
ρLv
=c
=c
µvL
µ

(2.1)

Như vậy để xác định trạng thái chuyển động của lưu chất là tầng hay rối người ta
dựa vào tỉ số trên, được gọi là số Reynolds, viết tắt là Re:

Re =


ρLv
µ

(2.2)

Trong đó:
-

ρ [kg.m-3] khối lượng riêng của lưu chất

-

L [m] chiều dài đặc trưng của dòng chảy

-

v [m.s-1] vận tốc đặc trưng của dịng chảy

-

µ [kg.m-1.s-1] hệ số nhớt động lực học của lưu chất

Trong các trường hợp cụ thể của dòng chảy, người ta xác định Retới hạn giúp phân
định trạng thái dòng chảy:
-

Khi Re < Retới hạn ta gọi là chuyển động tầng, ảnh hưởng của lực ma sát lúc này
là quan trọng


-

Khi Re > Retới hạn ta gọi là chuyển động rối, ảnh hưởng của lực ma sát càng
giảm khi số Re càng tăng

Đối với chuyển động trong ống tròn, vận tốc đặc trưng của dòng chảy là vận tốc v
trung bình tại mặt cắt, chiều dài đặc trưng là đường kính D

Re =

ρDv
µ

HVTH: NGUYỄN THANH HỒNG KING

(2.3)

- 18 -

Năm học: 2005-2007


GVHD: PGS.TS.TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Hình 2.1 Chuyển động tầng và chuyển động rối

1.2.Phân loại theo tính nén được
Theo suốt chiều dài lịch sử cho đến tận những năm của thế kỷ 20, những ứng dụng
trong kỹ thuật liên quan đến dòng chảy bị giới hạn trong khn khổ các dịng chất lỏng
hoặc chất khí có vận tốc nhỏ với mật độ của dòng chảy là hằng số. Đối với những dòng

chảy đó, sự trao đổi cơ năng, động năng và thế năng tuân theo phương trình Bernoulli:

p

ρ

+

1 2
v + gz = 0
2

(2.4)

Với:
-

p [N.m-2] áp suất của dòng chảy

-

ρ [kg.m-3] mật độ của dòng chảy

-

v [m.s-1] vận tốc dòng chảy

-

g [m.s-2] gia tốc trọng trường


-

z [m] độ cao so với vị trí tham chiếu

Vào đầu thế kỷ 20, bắt đầu có sự phát triển về turbine hơi nước, những dịng chảy
có vận tốc cao và mật độ thay đổi đáng kể đã trở thành những trường hợp chính chứ
khơng cịn là ngoại lệ nữa. Sự thay đổi về mật độ phải được tính đến đối với những dịng

HVTH: NGUYỄN THANH HỒNG KING

- 19 -

Năm học: 2005-2007