Fluid dynamics in an abdominal aortic aneurysm with large eddy simulation and backflow stabilization

In recent years, several studies on Abdominal Aortic Aneurysms (AAA) have been carried out using mathematical and numerical modeling with real geometries. Some of them focused on the presence of transitional and turbulent processes and on their consequences on the evolution on the disease. Most of these works use RANS models to study these processes. However, more accurate models can be found in the Large Eddy Simulation (LES) category. The goal of this work is the study of the fluid dynamics inside the AAA using computational fluid dynamics (CFD) with a recently proposed LES model called sigma model. This is used to analyze the presence of transitional effects in a real aneurysm geometry. Moreover, the simulation of several heartbeats allows to evaluate in which phases of the cardiac cycles there are significant velocity fluctuations. We have also analyzed the numerical issue of backflow instability, commonly found in cardiovascular problems. To treat it, a particular stabilization procedure has been implemented in LIFEV C++ library.

Negli ultimi anni, numerosi studi sono stati svolti sugli Aneurismi dell'Aorta Addominale (AAA) con l'utilizzo della modellazione matematica/numerica in geometrie reali. Alcuni di essi si sono concentrati anche sull'indagine della presenza di effetti di transizione o turbolenza e sulle relative conseguenze sull'evoluzione della patologia. Per studiare questi fenomeni, i modelli più usati sono le Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS). Modelli più accurati però si possono ritrovare nella categoria delle simulazioni Large Eddy (LES). L'obiettivo del presente lavoro è lo studio numerico della fluidodinamica all'interno dell'AAA con un modello di turbolenza LES recentemente presentato e chiamato sigma model. Grazie all'utilizzo di questo modello, è stata analizzata la presenza di effetti transizione in una geometria di aneurisma reale. La simulazione di più battiti cardiaci ha permesso, inoltre, di valutare in quali fasi del ciclo cardiaco si trovino significative fluttuazioni di velocità. Infine, è stato analizzato anche il problema della divergenza numerica da backflow diffuso nei problemi cardiovascolari. Per ovviare a tale problema, è stata implementata una stabilizzazione opportuna nella libreria C++ LIFEV.