Numerical and experimental haemodynamic studies of stenotic coronary arteries

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Carvalho, Violeta Meneses
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1822/70628
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)
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spelling Numerical and experimental haemodynamic studies of stenotic coronary arteriesCFDHemodynamicsIn vitro biomodelsStenotic coronary arteries3D printingArtérias coronárias estenóticasBiomodelos in vitroHemodinâmicaImpressão 3DEngenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaDissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)Cardiovascular diseases remain the most frequent cause of mortality worldwide and constitute a major healthcare challenge. Among them, coronary artery disease causes nearly half of the deaths and, thus it is of great interest to better understand its development and effects. This disease is characterized by the narrowing (stenosis) of coronary arteries due to plaque deposition at the arterial wall, a pathological process known as atherosclerosis. This dissertation aimed to study the hemodynamics in stenotic coronary arteries, in order to get a deeper understanding of the effects of this pathology on the blood flow behavior. For this purpose, both numerical and experimental studies were conducted using idealized models. The numerical research was carried out using Ansys® software by means of computational fluid dynamics which applies the finite volume method. The experimental approach was performed using a high-speed video microscopy system, to visualize and investigate the blood flow in the in vitro stenotic biomodels. Initially, the influence of roughness in flow visualizations was studied, and the best biomodel was the one printed with the lowest resolution having been, therefore, the selected to perform the hemodynamic studies. To compare those results with numerical data, the flow was set to be laminar and stationary and the fluid was considered Newtonian. In general, the numerical and experimental results were in good agreement, not only in the prediction of the flow behavior with the appearance of recirculation zones in the post-stenotic section, but also in the velocity profiles. In a posterior phase, a pulsatile inlet condition was applied to compare the use of laminar and turbulent assumptions, using the SST k- model. The results obtained allowed to conclude that the second one is more appropriate to simulate the blood flow. Subsequently, the main differences in hemodynamics were examined considering blood as a Newtonian and non-Newtonian fluid (Carreau model). For these models, the differences were very slight in terms of velocity fields, but more significant for the wall shear stress measurements, with the Newtonian model predicting lower values. The remaining simulations were performed using the Carreau model and a transient inlet flow, having observed an increase in the velocities and wall shear stress values with the degree of stenosis, which is associated with a greater risk of thrombosis.As doenças cardiovasculares continuam a ser a causa mais frequente de mortalidade em todo o mundo e constituem um grande desafio para a saúde. Entre elas, a doença arterial coronariana causa quase metade das mortes e, portanto, é de enorme interesse entender melhor o seu desenvolvimento e efeitos. Esta doença é caracterizada pelo estreitamento (estenose) das artérias coronárias devido à deposição de placas na parede arterial, um processo patológico conhecido como aterosclerose. Esta dissertação teve como objetivo estudar a hemodinâmica nas artérias coronárias estenóticas, a fim de obter uma compreensão mais profunda dos efeitos desta patologia no comportamento do fluxo sanguíneo. Para tal, foram realizados estudos numéricos e experimentais, utilizando modelos idealizados. A investigação numérica foi realizada no software Ansys®, através da dinâmica computacional dos fluidos, que aplica o método dos volumes finitos. A abordagem experimental foi realizada utilizando um sistema de microscopia de vídeo de alta velocidade, para visualizar e investigar o fluxo sanguíneo nos biomodelos estenóticos in vitro. Inicialmente, estudou-se a influência da rugosidade nas visualizações do escoamento, e o melhor biomodelo foi o impresso com menor resolução tendo sido, portanto, o selecionado para a realização dos estudos hemodinâmicos. Para comparar esses resultados com dados numéricos, o escoamento foi definido como laminar e estacionário e o fluído foi considerado Newtoniano. Em geral, os resultados numéricos e experimentais foram concordantes, não só na previsão do comportamento do fluxo com aparecimento de zonas de recirculação na zona pós-estenótica, mas também nos perfis de velocidade. Numa fase posterior, foi aplicada uma condição de entrada pulsátil para comparar o uso de simulações de natureza laminar e turbulenta, usando o modelo SST k-. Os resultados obtidos permitiram concluir que a segunda é mais apropriado para simular o fluxo sanguíneo. Posteriormente, foram examinadas as principais diferenças hemodinâmicas, considerando o sangue como fluído Newtoniano e não-Newtoniano (modelo de Carreau). Para estes modelos, as diferenças foram muito pequenas nos perfis de velocidade, mas mais significativas nas tensões de corte na parede medidas, com o modelo Newtoniano a prever valores mais baixos. As restantes simulações foram realizadas usando o modelo de Carreau e um escoamento de entrada transiente, tendo-se observado um aumento dos valores das velocidades e da tensão de corte na parede com o grau de estenose, o que está associado a um maior risco de trombose.Teixeira, S. F. C. F.Lima, Rui Alberto Madeira MacedoUniversidade do MinhoCarvalho, Violeta Meneses20202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/70628eng202599574info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:08:42Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/70628Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T18:59:57.092552Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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