Stenosi carotidea in geometria patient specific : potenzialità di modelli RANS transizionali

This thesis deals with a fluid dynamic study of the blood flow into an artery affected by pathologies that tend to narrow the vessel lumen. In particular we pay attention on the analysis of the carotid bifurcation with severe stenosis of the internal branch, as a region particularly prone to atherosclerotic diseases. The purpose of this study is to improve the knowledge of the hemodynamics in patients affected by cardiovascular diseases. The work focuses in particular on the fluid dynamic modeling and on the effectiveness of transitional RANS models (kT−kL−ω) compared to more classical turbulence models (such as k−ε and k−ω). The first part of the thesis faces the issue of the passage from computed tomography (CT) scans to the definition of the arterial geometry, which is then used to create the volume mesh for CFD simulations. The second part explains in detail how the pulsatile flow simulations are made and eventually the main results are presented in the form of a comparison between the three turbulence models that have been used. The results, compared with the references, indicate a good behavior for the transitional model kT−kL−ω in the description of the hemodynamics, and suggest its application in the CFD of stenosed blood vessels. Further studies are needed in order to completely validate this model by comparison with direct numerical simulations (DNS).

Questo lavoro di tesi riguarda lo studio fluidodinamico del flusso sanguigno in un’arteria affetta da patologie che provocano il restringimento della sezione del vaso. In particolare si pone l’attenzione sull’analisi in prossimità della biforcazione dell’arteria carotide con restringimento del ramo interno, in quanto zona particolarmente affetta da disturbi aterosclerotici. Lo studio ha lo scopo di migliorare la comprensione dell’emodinamica in pazienti affetti da malattie cardiovascolari attraverso metodi di simulazione numerica adeguati. A questo proposito si concentra la trattazione sulla modellazione fluidodinamica e sull’efficacia nella descrizione del flusso di metodi RANS transizionali (kT−kL−ω) rispetto a modelli più classici utilizzati in letteratura (k−ε,k−ω). Nella prima parte della tesi si affronta il problema del passaggio dai dati della tomografia computerizzata (CT) alla superficie di interesse, di seguito si procede con la costruzione della mesh di volume e infine si descrive nel dettaglio il procedimento seguito per la simulazione fluidodinamica dei cicli cardiaci. Infine si presentano i risultati ottenuti dalla CFD, confrontando il comportamento dei modelli di turbolenza utilizzati. Il lavoro mostra buone potenzialità per quanto riguarda l’utilizzo del modello di turbolenza transizionale kT−kL−ω nella descrizione fludodinamica di flussi sanguigni in geometrie affette da stenosi, suggerendone l’applicazione in ambito CFD sulla base del confronto con la letteratura di riferimento. Si rimanda ad ulteriori studi la validazione quantitativa del metodo attraverso simulazioni DNS, che potranno mettere in campo un confronto più particolareggiato e definitivo.