HAL Id: hal-00541726
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Submitted on 1 Dec 2010
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Réponse Dynamique de l’Aorte Soumise à une Pression Pulsatoire. Résolutions Analytiques et Numériques d’un
Modèle 3D Vibro-Acoustique
Adil El Baroudi, Fulgence Razafimahéry, Nicolas Bideau, Lalaonirina Rakotomanana-Ravelonarivo
To cite this version:
Adil El Baroudi, Fulgence Razafimahéry, Nicolas Bideau, Lalaonirina Rakotomanana-Ravelonarivo.
Réponse Dynamique de l’Aorte Soumise à une Pression Pulsatoire. Résolutions Analytiques et
Numériques d’un Modèle 3D Vibro-Acoustique. 10ème Congrès Français d’Acoustique, Apr 2010,
Lyon, France. �hal-00541726�
10`eme Congr`es Fran¸cais d’Acoustique
Lyon, 12-16 Avril 2010
R´eponse dynamique de l’aorte soumise ` a une pression pulsatoire.
R´esolutions analytiques et num´eriques d’un mod`ele 3D vibro-acoustique
Adil El Baroudi, Fulgence Razamahery, Nicolas Bideau, Lalaonirina R. Rakotomanana
1RMAR, Universit´e de Rennes 1, Campus de Beaulieu, 35042 Rennes, nicolas.bideau@univ-rennes1.fr
Ce travail a pour but l’´etude du comportement dynamique d’un mod`ele d’interaction fluide-structure issu de la biom´e canique cardiovasculaire. On s’int´eresse en particulier `a la mod´elisation tridimensionnelle de l’aorte dans laquelle le mouvement du fluide est d´ecrit par un mod`ele acoustique. Le travail est compos´e de deux parties. La premi`ere partie s’int´eresse `a l’analyse modale du syst`eme coupl´e sang-art`ere, o` u l’influence de la prise en compte des diff´erentes couches seront abord´ees. On ´etudie la sensibilit´e vibro- acoustique vis-`a-vis de l’´epaisseur, de la couche fluide. Des solutions analytiques seront mises en ´evidence et compar´ees aux solutions num´eriques obtenues par la m´ethode des ´el´ements finis, dans le but de valider l’algorithme de calcul. La deuxi`eme partie aborde le probl`eme dynamique, o` u l’on utilise une technique de projection modale en s’appuyant sur les r´esultats obtenus dans la premi`ere partie. La propagation de l’onde de pression le long de l’aorte sera analys´ee suivant le type de condition aux limites, ainsi que la pr´esence ´eventuelle de la crosse aortique et d’une st´enose.
1 Introduction
Ce travail est une suite d’une ´etude propos´e en [?], qui consiste `a analyser les r´eponses dynamique d’une section droite de l’aorte en pr´esence ou non d’une st´enose.
Figure 1 – Aorte et points de calcul pour une art`ere st´enos´ee
La mod´elisation tridimensionnelle du probl`eme per- met de mettre en ´evidence certain couplage dynamique tel que la flexion-torsion notamment. Pour mod´eliser la paroi art´erielle, on se place dans l’hypoth`ese des petites perturbations. Chaque couche est suppos´ee isotrope et homog`ene. Les caract´eristiques utilis´ees sont celles pro- pos´ees en [?]. Afin de mettre en ´evidence les ph´enom`enes de propagation des diff´erentes ondes pr´esentes dans le syst`eme coupl´e, il est plus judicieux d’adopter le mod`ele acoustique tant en analyse modale qu’en dynamique di- recte.
2 Le probl` eme mod` ele
Le probl`eme acoustique est formul´e en variable pres- sion p. On note Γ
ela section d’entr´ee de l’aorte ascen- dante, Γ
set Γ
Lsont respectivement les sections de sor- tie et la surface lat´erale de l’aorte descendante. Les do- maines occup´es par le fluide, la paroi saine et st´enos´ee sont not´es respectivement Ω
f, Ω
1et Ω
2. Le probl`emes aux limites associ´es s’´ecrit : trouver (u
1, u
2, p) solutions de
ρ ∂
2u
i∂t
2= divσ(u
i) + ρF(t) (Ω
i) σ(u
1)n = σ(u
2)n (Γ
1)
u
1= u
2(Γ
1)
1 ρ
0c
20∂
2p
∂t
2= div
% 1 ρ
0(∇p − q)
&
(Ω
f)
σ(u
i)n = −pn (Γ)
[∇p − q] · n = −ρ
0∂
2u
i∂t
2· n (Γ)
u
1∧ n = 0 (Γ
L)
u
1= 0 (Γ
s)
p = P
in(t) (Γ
e)
[∇p − q] · n = −ρ
0∂
2X
∂t
2· n (Γ
e) (1)
avec i = 1, 2 et o` u l’acc´el´eration ∂
2X
∂t
2est donn´ee. En sortie, on utilise une condition de radiation de type onde plane, ce qui est licite car on est assez loin de la source
2.1 Le probl` eme modal
Dans un travail r´ecent, nous avons r´ealis´e plusieurs
´etude `a caract`ere modal de la branche ascendante de
l’art`ere o` u diff´erents mod`eles monocouche, bicouche et
tricouche ont ´et´e test´es. Des solutions analytiques ont
´et´e obtenues et compar´ees aux solutions num´eriques afin de valider le logiciel de calcul que nous avons utilis´e.
Les caract´eristiques mat´erielles utilis´ees ´etaient celle de [?]. On r´esoud analytiquement et num´eriquement le paobl`eme modal associ´e `a (??) avec les caract´eristiques mat´erielles et g´eom´etriques suivantes
E(P a) ν ρ R(m) c
0Lumen 1000 0, 0105 1450
Couche 1052, 65.10
30, 45 1150 0, 0125 St´ enose 4210, 6.10
30, 45 1150
Dans le cas de l’aorte compl`ete de la figure ??, on obtient les 6 premi`eres fr´equences suivantes :
f
1f
2f
3f
4f
5f
6f
7Saine 1.37 1.68 3.81 4.83 12.63 15.56 16.80 St´en. 1.37 1.68 3.83 4.86 12.17 13.31 17.30 Voici quelques formes modales dans le cas st´enos´e.
Figure 2 – Les 4 premi`eres formes modales dans le cas st´enos´e
Ce sont des modes hors plan (Oxy) de la branche ascendante. Ceci est dˆ u essentiellement `a la condition aux limites impos´ee sur la branche descendante.
3 R´ esolution du probl` eme dyna- mique
Afin de mettre en ´evidence, la technique de r´esolution par projection modale, il est pr´ef´erable de l’appliquer `a l’art`ere monocouche. En prenant les fonc- tions tests classique V = {u ∈ H
1(Ω
1), u ∧ n = 0 (Γ
L), u = 0 (Γ
s)} et pour une condition aux limites en pression Q = {φ ∈ H
1(Ω
1), φ = 0 (Γ
e)}, la formulation variationnelle du probl`eme aux limites (??) s’´ecrit
d
2dt
2'
Ω1
ρu · vdx + '
Ω1
σ(u) : ε(v)dx
− '
Γ
pv · ndΓ = '
Ω1
ρF(t) · vdx d
2dt
2('
Ω
pφ c
20dx +
'
Γ
ρ
0u · nφdΓ )
+ '
Ω
∇p · ∇φdx = '
Ω
q · ∇φdx
(2)
pour tout (v, φ) ∈ V × Q. La r´esolution num´erique du probl`eme est effectu´ee `a l’aide du logiciel Comsol Multiphysics. En utilisant les ´el´ements de Lagrange, o` u
u
h∈ P
2× P
2et p
h∈ P
1, la discr´etisation du probl`eme variationnel conduit au syst`eme
% M O M
aM
f&
d
2dt
2% U P
&
+
% K − B O K
f& % U P
&
= −
% F G
&
(3) La projection modale consiste `a d´ecomper le champ des d´eplacements u et le champ de pression p sur la base modale coupl´ee [?], not´ee (X
k(x), p
k(x))
k=1,...,Ndu syst`eme coupl´e
u(x, t) =
N
*
k=1
q
k(t)X
k(x) ; p(x, t) =
N
*
k=1
r
k(t)p
k(x) (4) o` u (X
k(x), p
k(x)) sont solutions du probl`eme modal associ´e `a (??). On injecte la d´ecomposition modale (??) dans le probl`eme variationnel (??). En introdui- sant les vecteurs q(t) = (q
1(t), . . . , q
N(t))
Tet r(t) = (r
1(t), . . . , r
N(t))
T, le probl`eme de Cauchy associ´e au syst`eme coupl´e s’´ecrit
M d
2q
dt
2+ K q(t) + 1 ρ
0M
ar(t) = F(t) M
fd
2r
dt
2+ M
ad
2q
dt
2+ K
fr(t) = G(t) q(0) = r(0) = dq
dt (0) = dr
dt (0) = 0
(5)
Les conditions aux limites `a l’entr´ee ont les allures suivantes.
0 0.5 1 1.5
−5000 0 5000 10000
Times (s)
Pressure
0 0.5 1 1.5
−100
−50 0 50 100
Times (s)
Acceleration
Figure 3 – les deux types de conditions aux limites Divers param`etres dynamiques et acoustiques ont
´et´e calcul´es aux diff´erents points A
iintroduits pr´ec´edemment. Ces param`etres peuvent ˆetre class´es en deux cat´egories :
1. les param` etres globaux : qui sont les ef- forts pari´etaux s’exer¸cant sur la paroi int´erieur de l’aorte en contact avec le fluide. En posant T = σ(u)n, on d´efinit les ´el´ements de r´eduction au point O du torseur des efforts
'
Γ
TdΓ = [X(t), Y (t), Z(t)]
T'
Γ
OM ∧ TdΓ = [L(t), M (t), N (t)]
T(6)
2. les param` etres locaux : qui sont calcul´es aux point A
i; ce sont la contrainte de Von Mises σ
eq(t), les composantes du champ de d´eplacement u, la pression fluctuante p et l’intensit´e acoustique L
p(en d´ecibels) d´efini par L
p(x, t) = 20 log
( p
ef fp
ref)
(dB) (7)
o` u p
ef fest la pression efficace et p
refla pression
de r´ef´erence.
3.1 R´ esultats num´ eriques dans le cas d’une art` ere saine
Les deux conditions aux limites ont ´et´e test´es. On regarde les variations des diff´erents param`etres introduit pr´ec´edemment.
3.1.1 Conditions aux limites en pression En imposant une pression `a l’entr´ee, on obtient les r´esultats suivants
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−0.4
−0.3
−0.2
−0.1 0 0.1 0.2 0.3
Times (s)
Ux
at A1 at A2 at A3
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−0.4
−0.3
−0.2
−0.1 0 0.1 0.2 0.3
Times (s)
Uz
at A1 at A2 at A3
Figure 4 – Composantes u et w de u aux points A
i.
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0 2 4 6 8 10x 105
Times (s)
Von Mises
at A1 at A2 at A3
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
110 120 130 140 150 160 170 180
Times (s)
Pressure Level
at A1 at A2 at A3
Figure 5 – Von Mises et niveau sonore aux points A
i0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−30
−20
−10 0 10 20
Times (s)
Force
Rx Ry Rz
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−1
−0.5 0 0.5 1
Times (s)
Torque
Mx My Mz
Figure 6 – Le torseur des efforts globaux en O On constate que c’est sur la section terminale de la crosse aortique que les variatiations du champ de d´eplacement sont les plus importantes. Par contre, c’est au sommet de la crosse aortique que la contrainte
´equivalente est importante et il y a une certaine synchro- nisation au niveau des valeurs aux points A
1, A
2et A
3. Pour l’intensit´e acoustique, les niveaux aux diff´erents points sont en phase, et la plage maximale semble se si- tuer pendant la phase systolique. Ce qui est en accord avec la r´ealit´e. En ce qui concernce les efforts globaux, les composantes suivant z de la r´esultante et du mo- ment sont les plus importantes. C’est cette composante du moment suivant z qui entraˆıne une rotation de la branche ascendante autour de l’axe z, `a cause des condi- tions aux limites impos´ees sur la branche descendante.
3.1.2 Conditions aux limites en acc´ el´ eration On impose maintenant `a l’entr´e une condition de pa- roi vibrante, c’est-`a-dire une acc´elation. On obtient alors les r´esultats suivants
Pour composantes du champ de d´eplacement, on a les mˆemes constatations que pr´ec´edemment. Par contre
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−2
−1.5
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5x 10−3
Times (s)
Ux
at A1 at A2 at A3
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−3
−2
−1 0 1 2x 10−3
Times (s)
Uz
at A1 at A2 at A3
Figure 7 – Composantes u et w de u aux points A
i.
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Times (s)
Von Mises
at A1 at A2 at A3
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
70 80 90 100 110 120 130 140
Times (s)
Pressure Level
at A1 at A2 at A3
Figure 8 – Von Mises et niveau sonore aux points A
i0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−0.4
−0.3
−0.2
−0.1 0 0.1 0.2 0.3
Times (s)
Force
Rx Ry Rz
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−0.015
−0.01
−0.005 0 0.005 0.01 0.015
Times (s)
Torque
Mx My Mz
Figure 9 – Le torseur des efforts globaux en O au niveau de la contrainte de Von Mises, ce sont les deux points situ´es sur le sommet et la section terminale de la crosse qui sont les plus sollicit´es. L’allure du niveau so- nore est tr`es diff´erente que celle obtenue pr´ec´edemment.
Pour les efforts globaux, la composante suivant z est toujours la plus importante pour la r´esultante, tandis que pour le moment, c’est la composante suivant y qui l’emporte, ce qui peut entraˆıner, un mouvement de ba- lancement de la branche ascendante dans le plan (Oxy).
3.2 R´ esultats num´ eriques dans le cas d’une art` ere st´ enos´ ee
Dans le mod`ele, on suppose l’existence d’une st´enose au niveau de la branche ascendante. La mod´elisation d’une st´enose est toujours d´elicate. En effet, elle doit prendre racine sur l’intima et la media. Afin, de l’int´egrer dans notre mod`ele monocouche, on l’a ins´er´e jusqu’au milieu de la paroi.
3.2.1 Conditions aux limites en pression On obtient les r´esultats suivants
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−0.8
−0.6
−0.4
−0.2 0 0.2 0.4 0.6
Times (s)
Ux
at A1 at A2 at A3 at A4
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−0.4
−0.3
−0.2
−0.1 0 0.1 0.2 0.3
Times (s)
Uz
at A1 at A2 at A3 at A4
Figure 10 – Composantes u et w de u aux points A
i.
On constate que le point A
4situ´e sur la st´enose qui
subit le plus de solliciation tant au niveau du champ de
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0
2 4 6 8 10 12x 105
Times (s)
Von Mises
at A1 at A2 at A3 at A4
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
80 100 120 140 160 180
Times (s)
Pressure Level
at A1 at A2 at A3 at A4
Figure 11 – Von Mises et niveau sonore aux points A
i0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−40
−20 0 20 40 60
Times (s)
Force
Rx Ry Rz
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−2
−1.5
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5
Times (s)
Torque
Mx My Mz
Figure 12 – Torseur des efforts globaux en O
d´eplacement que de Von Mises. L’allure de l’intensit´e sonore est analogue `a celle obtenue dans le cas sain, de mˆeme pour les efforts globaux.
3.2.2 Conditions aux limites en acc´ el´ eration On obtient les r´esultats suivants pour les param`etres locaux
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−3
−2
−1 0 1 2 3x 10−3
Times (s)
Ux
at A1 at A2 at A3 at A4
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−3
−2
−1 0 1 2x 10−3
Times (s)
Uz
at A1 at A2 at A3 at A4
Figure 13 – Composantes u et w de u aux points A
i.
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Times (s)
Von Mises
at A1 at A2 at A3 at A4
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
60 70 80 90 100 110 120 130 140
Times (s)
Pressure Level
at A1 at A2 at A3 at A4
Figure 14 – Von Mises et niveau sonore aux points A
iEn ce qui concernce les efforts globaux, on obtient les r´esultats suivants :
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−0.4
−0.3
−0.2
−0.1 0 0.1 0.2 0.3
Times (s)
Force
Rx Ry Rz
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−0.01
−0.005 0 0.005 0.01
Times (s)
Torque
Mx My Mz
Figure 15 – Torseur des efforts globaux en O On constate toujours que le point A
4situ´e sur la st´enose qui subit le plus de solliciation tant au niveau du champ de d´eplacement que de Von Mises. L’allure
de l’intensit´e sonore est analogue `a celle obtenue dans le cas sain, de mˆeme pour les efforts globaux.
4 Visualisation des d´ eform´ ees et des champs de pression
Regardons maintenant les diff´erentes d´eform´ees de la paroi pour les types de conditions aux limites, ainsi que les champs de pression.
4.1 Variation de la pression
Regardons comment varie localement la pression le long de l’aorte, c’est-`a-dire `a l’entr´ee, au sommet de la crosse (point A
2) et `a la sortie.
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−1.5
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2x 104
Times (s)
Pressure
IN MIDDLE OUT
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
−1.5
−1
−0.5 0 0.5 1 1.5 2x 104
Times (s)
Pressure
IN MIDDLE OUT