Modelling of blood flow in a stenotic vessel

The blood flow dynamics of a stenosed, subject-specific, carotid bifurcation are numerically simulated using Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) turbulence models and direct numerical simulation (DNS). The latter is taken as a term of comparison for the RANS calculations, which include classic two-equations eddy-viscosity models as well as a transitional three-equation model. Pulsatile inlet conditions are based on in vivo ultrasound measurements of blood velocity, the blood is modelled as a Newtonian fluid and the vessel walls are considered rigid. The main purpose of this work is to highlight the problems which arise when classic RANS models are employed in the numerical simulation of such flows. Moreover, the capabilities of the transitional three-equation model for this specific case are assessed through a comparison between the DNS and the RANS simulations. The results demonstrate that the three-equation eddy-viscosity model better predicts the flow in terms of turbulence intensity, pressure temporal evolution and oscillatory shear index (OSI). The DNS points out the transitional or weakly turbulent state of the blood flow, which features velocity and pressure fluctuations in the post-stenotic region of the internal carotid artery (ICA) during systole and laminar flow during diastole.

Questo lavoro di tesi riguarda lo studio fluidodinamico del flusso sanguigno in un’arteria affetta da stenosi. In particolare l’analisi è focalizzata in prossimità della biforcazione dell’arteria carotide con restringimento del ramo interno, in quanto zona particolarmente soggetta a disturbi aterosclerotici. Lo studio ha lo scopo di migliorare, attraverso metodi di simulazione numerica, la comprensione dell’emodinamica in pazienti affetti da malattie cardiovascolari. La trattazione è quindi concentrata sulla modellazione fluidodinamica, al fine di valutare l’efficacia nella descrizione del flusso di modelli di turbolenza Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) transizionali rispetto a modelli più classici utilizzati in letteratura. Il flusso sanguigno è stato simulato tramite una direct numerical simulation (DNS) con lo scopo di ottenere una simulazione accurata da usare come termine di paragone per i calcoli RANS. Tutte le simulazioni sono effettuate sulla stessa geometria patient-specific, sfruttando una condizione pulsatile di inlet basata su misure di velocità in vivo e mo- dellando il sangue come un fluido newtoniano. I risultati evidenziano le buone potenzialità del modello di turbolenza transizionale per quanto riguarda la descrizione del flusso in termini di energia cinetica turbolen- ta, andamento temporale della pressione e oscillatory shear index (OSI). La simulazione DNS sottolinea la natura transizionale del flusso in esame, caratterizzato da fluttuazio- ni di velocità e pressione nella zona post stenotica durante la fase di sistole e da flusso laminare durante la fase di diastole.