Análise numérica em um modelo de aneurisma na bifurcação da aorta abdominal

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Data

2022-03-04

Autores

Carvalho, Jeane Batista de

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

O Aneurisma de Aorta Abdominal (AAA) é uma dilatação local e permanente da parede arterial resultante do enfraquecimento dessa parede que pode acarretar o rompimento do vaso e, consequentemente, a possível morte do indivíduo. Vários fatores mecânicos e hemodinâmicos podem ser importantes e têm encadeamento no desenvolvimento do aneurisma, na posição infrarrenal. A complexidade no estudo deste assunto envolve a identificação do tipo de escoamento, a composição do fluido e a estrutura da parede arterial. A combinação das análises numéricas e experimentais aprimora a precisão dos resultados, pois os resultados teóricos e experimentais são utilizados como condição de contorno inicial para a simulação numérica, tornando-a mais próxima do fenômeno real. Este trabalho pretende exportar os resultados numéricos para que seja possível combinar o comportamento do fluido Newtoniano e não Newtoniano, uma vez que os dois comportamentos não são modelados conjuntamente em softwares comerciais. Para melhor entendimento das propriedades dos escoamentos sanguíneos no interior de aneurismas, serão analisadas: velocidade, pressão e tensão cisalhante na parede. As equações governantes foram resolvidas recorrendo ao software de dinâmica de fluidos computacional Ansys® Fluent, sendo comparados os modelos Spalart-Allmaras (1 equação) e k-ε RNG (2 equações) para descrever a turbulência do escoamento. Para a parcela reológica do sangue foram comparados os modelos Carreau e Casson. Dentro dos modelos turbulentos e dos modelos reológicos utilizados, foi feita a comparação entre os modelos do mesmo fenômeno, e em seguida a seleção do modelo para a interação fluido estrutura (FSI), levando em conta o desempenho do modelo. O tempo gasto de simulação para o modelo Spalart-Allmaras foi expressivamente menor quando comparado com k-ε RNG, enquanto, que para os modelos reológicos, o tempo de processamento foi similar sendo difícil definir somente um dos modelos com base nisso. O modelo Carreau apresentou valores de viscosidade aparente com maior similaridade à faixa considerada normal, para todo instante de tempo simulado, enquanto o modelo Casson apresentou semelhança apenas nos picos de velocidade máxima. Devido os inúmeros fatores que podem influenciar a viscosidade, ambos os modelos reológicos foram selecionados para FSI. As propriedades analisadas para esses domínios foram: tensão de Von Mises, deformação normal estática de Von Mises e deslocamento da parede da artéria. Para a análise do AAA foi necessário a escolha de um fluido de trabalho que substituísse o sangue. Os fluidos propostos foram ensaiados em diferentes temperaturas (a 21, 25 e 37ºC) para aferir as propriedades reológicas, e aqueles que possuíssem propriedades físicas semelhantes às do sangue foram selecionados como fluido de trabalho. Para estudos futuros do escoamento através do AAA foi criado uma seção de teste transparente de resina epóxi para a visualização dos campos de velocidade e pressão. A intenção deste trabalho é fornecer mais informações mecânicas e hemodinâmicas para a equipe médica, auxiliando-os no diagnóstico e na decisão da intervenção cirúrgica em pacientes com esta doença.
The Abdominal Aortic Aneurysm (AAA) is a local and permanent dilation of the arterial wall resulting from the weakening of this wall that can lead to the rupture of the vessel and, consequently, the possible death of the individual. Several mechanical and hemodynamic factors may be important and are linked to the development of the aneurysm in the infrarenal position. The complexity in the study of this subject involves the identification of the type of flow, the composition of the fluid and the structure of the arterial wall. The combination of numerical and experimental analyzes improves the precision of the results, once the theoretical and experimental results are used as the initial boundary condition for the numerical simulation, making it closer to the real phenomenon. This work intends to export the numerical results so that it is possible to combine the behavior of Newtonian and non-Newtonian fluids, since the two behaviors are not modeled together in commercial software. For a better understanding of the properties of blood flows inside aneurysms, the following quantities will be analyzed: velocity, pressure and shear stress in the wall. The governing equations were solved using Ansys® Fluent computational fluid dynamics software, comparing the Spalart-Allmaras (1 equation) and k-ε RNG (2 equations) models to describe the flow turbulence. For the rheological portion of the blood, the Carreau and Casson models were compared. Within the turbulent models and the rheological models used, a comparison was made between the models of the same phenomenon, and then the selection of the model for the fluid structure interaction (FSI), considering the performance of the model. The simulation time spent for the Spalart-Allmaras model was significantly lower when compared to k-ε RNG, while for the rheological models, the processing time was similar, making it difficult to define only one of the models based on this. The Carreau model presented apparent viscosity values with greater similarity to the range considered normal, for all simulated time instants, while the Casson model presented similarity only in the maximum velocity peaks. Due to the several factors that can influence viscosity, both rheological models were selected for FSI. The properties analyzed for these domains were: Von Mises stress, Von Mises static normal strain and displacement of the artery wall. For the analysis of the AAA, it was necessary to choose a working fluid to replace the blood. The proposed fluids were tested at different temperatures (21, 25 and 37ºC) to assess the rheological properties, and those with physical properties like those of blood were selected as the working fluid. For future studies of the flow through the AAA, a transparent test section of epoxy resin was created to visualize the velocity and pressure fields. The intention of this work is to provide more mechanical and hemodynamic information to the medical team, helping them in the diagnosis and decision of surgical intervention in patients with this disease.

Descrição

Palavras-chave

Spalart- Allmaras e k-ε RNG, Carreau e Casson, Aneurisma, Bifurcação na aorta abdominal, Hemodinâmica, Bioengenharia, Método dos volumes finitos, Aneurysm, Bifurcation in the abdominal aorta, Hemodynamics, , , Bioengineering, Volumes element method

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