Studio computazionale di una pilot valve

"Digital Smart Fluidics for life science" is a project with the aim of introducing innovative technologies for infusion therapy. One of the aspects of interest of the project is home artificial nutrition, a therapy for patients unable to feed properly but with stable clinical conditions to be candidates for home therapy. Moving the therapy from the hospital to the home allows the patient to have better quality life and also allows to reduce the costs of the health system for a shorter hospitalization. Moreover, it is necessary to maintaing a high level of safety in administering the therapy even when not in the presence of specialized staff or in the hospital. For those reasons the project aims to introduce technologies capable of fullfill these requests and the inspiration for this work is taken from the requirement specified in the project: The proposal is to use a pilot valve since these valves are excellent candidates to meet the requirements required. Pilot valves perform the flow relating to a larger valve, called pilot operated valves. Through a fluid path bifurcation in the pilot operated valve, the pilot valve allows the establishment of specific pressure conditions that define the opening or closing state of the pilot operated valve. This work analyzes the system dynamic of a pilot operated valve with a hyperelastic membrane whose flow is regulated by a manually operated pilot valve. These types of valves are currently used only for industrial purposes and have not yet seen a real application in the biomedical field, but an adaptation of the pressures more suited to the human body could make them excellent candidates. The first step in being able to exploit a membrane pilot operated valve in the medical field is to understand the operation in the context for which they are currently used and for this reason CFD and FSI simulations are performed to understand the dynamics of the valve. The work was divided into three steps: the first step involved the study of a simplified geometry of the valve that mimics the open valve condition to begin to understand the operation of the valve and evaluate the quantities involved in the system; the second step involved CFD analysis of the fluid domain to study the pressure distribution in the system. The third step involved FSI simulations to analyze the fluid-structure interaction and study the real behavior of the valve.

“Digital Smart Fluidics for life science” è un progetto di ricerca con l’obbiettivo di introdurre delle tecnologie innovative nell’ambito della terapia infusionale. Uno degli aspetti di interesse del progetto è la nutrizione artificiale domiciliare, terapia necessaria per i pazienti non in grado di alimentarsi in modo corretto autonomamente ma con condizioni cliniche sufficientemente stabili da essere candidati per l’erogazione della terapia a livello domiciliare. Spostare la terapia dall’ospedale al domicilio permette al paziente di condurre una vita di migliore qualità e permette di ridurre i costi del sistema sanitario per una più breve ospedalizzazione. Inoltre, è necessario mantenere alta la sicurezza della somministrazione della terapia anche non in presenza di personale specializzato o in luogo ospedaliero. Per questo il progetto si propone di introdurre delle tecnologie in grado di soddisfare queste richieste e lo spunto per questa tesi viene preso dalle esigenze indicate nel progetto: La proposta è l’utilizzo di una pilot valve poiché queste valvole sono ottime candidate per soddisfare i requisiti richiesti. Le pilot valve sono, infatti, valvole molto piccole e facilmente azionabili quindi di facile utilizzo per il paziente e sono progettate con lo scopo di regolare la portata nel sistema in cui operano permettendo quindi il controllo della somministrazione di nutrienti in sicurezza. Le pilot valve svolgono il compito di regolatori della portata relativo ad una valvola di maggiori dimensioni, chiamate pilot operated valve. Tramite una biforcazione di percorso a cavallo della pilot operated valve la pilot valve permette l’instaurarsi di specifiche condizioni di pressione che definiscono lo stato di apertura o chiusura della pilot operated valve. In questa tesi viene analizzata la dinamica del sistema di una pilot operated valve con membrana iperelastica il cui flusso è regolato da una pilot valve ad azione manuale. Queste tipologie di valvole attualmente sono utilizzate solo a fini industriali e non hanno ancora visto un’applicazione reale nell’ambito biomedico ma un adattamento delle pressioni più consone al corpo umano potrebbe renderle ottime candidate. Il primo passo per poter sfruttare una pilot operated valve a membrana nell’ambito medico è comprendere il funzionamento nell’ambito per cui sono attualmente utilizzate e per questo vengono eseguite simulazioni CFD e FSI per comprendere la dinamica della valvola. Il lavoro è stato suddiviso in tre step: il primo step ha previsto lo studio di una geometria semplificata rispetto alla geometria reale della valvola che mimasse la condizione di valvola aperta per cominciare a comprendere il funzionamento della valvola; il secondo step ha previsto analisi CFD del dominio fluido per studiare la distribuzione della pressione nel sistema e la dipendenza dei risultati rispetto alle condizioni in ingresso. Nell terzo step, infine, vengono eseguite simulazioni FSI per analizzare l’interazione fluido-struttura e studiare il comportamento reale della valvola.