Numerical study on the hydrodynamic response of pulsatile blood flow in a vein with axisymmetric stenosis

Abstract

No contexto médico, a estenose (constrição) de um vaso sanguíneo é o estreitamento anormal de sua seção transversal, causado pelo acúmulo de placas nas paredes do vaso. Esses estreitamentos podem ocasionar diferentes problemas de saúde, dependendo da localização e severidade. Do ponto de vista fluidodinâmico, constrições em canais podem gerar zonas de recirculação, onde há maior propensão para o acúmulo de partículas suspensas no fluido. Assim, o presente trabalho avaliou, a partir de simulações em CFD, parâmetros fluidodinâmicos do escoamento pulsátil de sangue em uma veia com estenose axissimétrica. Diferentes modelos reológicos para representação do sangue foram consideradas. Inicialmente, o sangue foi modelado como um fluido newtoniano que segue o modelo de Einstein, considerando a influência da concentração de eritócitros (hematócrito) sob os parâmetros do escoamento. Subsequentemente, foram utilizados os modelos não newtonianos de Carreau e Cross. Os campos de velocidades, comprimentos de recirculação e campos de tensões cisalhantes foram analisados. Dentre as simulações em que o modelo de Einstein foi utilizado, a que considerou o valor de hematócrito mais elevado obteve as respostas mais semelhantes com as retornadas pelos modelos de Carreau e Cross. Os comprimentos de recirculação médios mais elevados foram obtidos quando utilizado o modelo de Cross.

In the medical context, the stenosis (constriction) of a blood vessel is the abnormal narrowing of its cross-section, caused by the accumulation of plaques on the vessel walls. Depending on their location and severity, these narrowings can lead to different health problems. From a fluid dynamics perspective, constrictions in channels can create recirculation zones, where there is a greater propensity for the accumulation of fluid suspended particles. Thus, the present work evaluated the fluid dynamic response of pulsatile blood flow in a vessel with axisymmetric stenosis, using CFD simulations. Different rheological models for representing blood were considered. Initially, the blood was modeled as a Newtonian fluid following the Einstein model, considering the influence of erythrocyte concentration (hematocrit) on flow parameters. Subsequently, the non-Newtonian models of Carreau and Cross were used. Velocity fields, flow recirculation lengths and shear stress fields were analyzed. The simulation results obtained using the Einstein model showed that the model yielded similar responses to those obtained from the Carreau and Cross models when the highest hematocrit value was considered. The longest average recirculation lengths were obtained when using the Cross model.