Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)Cardiovascular diseases remain the most frequent cause of mortality worldwide and constitute a major
healthcare challenge. Among them, coronary artery disease causes nearly half of the deaths and, thus it
is of great interest to better understand its development and effects. This disease is characterized by the
narrowing (stenosis) of coronary arteries due to plaque deposition at the arterial wall, a pathological
process known as atherosclerosis.
This dissertation aimed to study the hemodynamics in stenotic coronary arteries, in order to get a deeper
understanding of the effects of this pathology on the blood flow behavior. For this purpose, both numerical
and experimental studies were conducted using idealized models. The numerical research was carried
out using Ansys® software by means of computational fluid dynamics which applies the finite volume
method. The experimental approach was performed using a high-speed video microscopy system, to
visualize and investigate the blood flow in the in vitro stenotic biomodels.
Initially, the influence of roughness in flow visualizations was studied, and the best biomodel was the one
printed with the lowest resolution having been, therefore, the selected to perform the hemodynamic
studies. To compare those results with numerical data, the flow was set to be laminar and stationary and
the fluid was considered Newtonian. In general, the numerical and experimental results were in good
agreement, not only in the prediction of the flow behavior with the appearance of recirculation zones in
the post-stenotic section, but also in the velocity profiles.
In a posterior phase, a pulsatile inlet condition was applied to compare the use of laminar and turbulent
assumptions, using the SST k- model. The results obtained allowed to conclude that the second one
is more appropriate to simulate the blood flow. Subsequently, the main differences in hemodynamics
were examined considering blood as a Newtonian and non-Newtonian fluid (Carreau model). For these
models, the differences were very slight in terms of velocity fields, but more significant for the wall shear
stress measurements, with the Newtonian model predicting lower values. The remaining simulations were
performed using the Carreau model and a transient inlet flow, having observed an increase in the
velocities and wall shear stress values with the degree of stenosis, which is associated with a greater risk
of thrombosis.As doenças cardiovasculares continuam a ser a causa mais frequente de mortalidade em todo o mundo
e constituem um grande desafio para a saúde. Entre elas, a doença arterial coronariana causa quase
metade das mortes e, portanto, é de enorme interesse entender melhor o seu desenvolvimento e efeitos.
Esta doença é caracterizada pelo estreitamento (estenose) das artérias coronárias devido à deposição de
placas na parede arterial, um processo patológico conhecido como aterosclerose.
Esta dissertação teve como objetivo estudar a hemodinâmica nas artérias coronárias estenóticas, a fim
de obter uma compreensão mais profunda dos efeitos desta patologia no comportamento do fluxo
sanguíneo. Para tal, foram realizados estudos numéricos e experimentais, utilizando modelos idealizados.
A investigação numérica foi realizada no software Ansys®, através da dinâmica computacional dos
fluidos, que aplica o método dos volumes finitos. A abordagem experimental foi realizada utilizando um
sistema de microscopia de vídeo de alta velocidade, para visualizar e investigar o fluxo sanguíneo nos
biomodelos estenóticos in vitro.
Inicialmente, estudou-se a influência da rugosidade nas visualizações do escoamento, e o melhor
biomodelo foi o impresso com menor resolução tendo sido, portanto, o selecionado para a realização
dos estudos hemodinâmicos. Para comparar esses resultados com dados numéricos, o escoamento foi
definido como laminar e estacionário e o fluído foi considerado Newtoniano. Em geral, os resultados
numéricos e experimentais foram concordantes, não só na previsão do comportamento do fluxo com
aparecimento de zonas de recirculação na zona pós-estenótica, mas também nos perfis de velocidade.
Numa fase posterior, foi aplicada uma condição de entrada pulsátil para comparar o uso de simulações
de natureza laminar e turbulenta, usando o modelo SST k-. Os resultados obtidos permitiram concluir
que a segunda é mais apropriado para simular o fluxo sanguíneo. Posteriormente, foram examinadas as
principais diferenças hemodinâmicas, considerando o sangue como fluído Newtoniano e não-Newtoniano
(modelo de Carreau). Para estes modelos, as diferenças foram muito pequenas nos perfis de velocidade,
mas mais significativas nas tensões de corte na parede medidas, com o modelo Newtoniano a prever
valores mais baixos. As restantes simulações foram realizadas usando o modelo de Carreau e um
escoamento de entrada transiente, tendo-se observado um aumento dos valores das velocidades e da
tensão de corte na parede com o grau de estenose, o que está associado a um maior risco de trombose
