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http://hdl.handle.net/1843/74975| Type: | Dissertação |
| Title: | Análise numérica fluido-estrutural do fenômeno de flutter em próteses de válvulas cardíacas biológicas |
| Authors: | Matheus Carvalho Barbosa Costa |
| First Advisor: | Rudolf Huebner |
| First Referee: | Paulo Vinicius Trevizoli |
| Second Referee: | Marcelo Greco |
| Abstract: | A baixa vida útil das válvulas prostéticas biológicas, compreendendo de 10-15 anos, está intimamente relacionada com a ocorrência de oscilações das suas cúspides devido à interação com o escoamento sanguíneo, fenômeno conhecido como flutter. Além disso, estudos indicam que o comportamento das oscilações das cúspides está relacionado com a geometria das próteses de válvulas cardíacas. Neste cenário, o objetivo do presente trabalho consiste em realizar um estudo numérico fluido-estrutural para avaliar o comportamento do fenômeno de flutter dos folhetos de próteses biológicas da válvula aórtica. Para este propósito, foram desenvolvidos uma geometria de prótese biológica, baseado em um modelo geométrico disponível na literatura, e um domínio computacional fluidodinâmico composto por uma região de entrada, saída e pelos seios de Valsalva. Foram alteradas a espessura das cúspides e a altura de protrusão das válvulas para analisar a influência dos parâmetros geométricos das válvulas nas características vibracionais do flutter. Como condição de contorno foi aplicada um perfil parabólico de velocidade na entrada, outflow na saída e suporte fixo nas laterais dos folhetos. As cúspides das válvulas foram consideradas com comportamento elástico linear e isotrópico, enquanto que o sangue foi modelado como fluido Newtoniano. A turbulência foi modelada de acordo com o modelo k – ω SST. As simulações foram efetuadas no software comercial Ansys 2023 R1. Os resultados numéricos indicaram que, devido à ocorrência das oscilações dos folhetos, tanto as grandezas fluidodinâmicas, tais como, pressão, velocidade e intensidade de turbulência, como também, as grandezas do domínio sólido, tais como, tensão e deformação, apresentaram um padrão irregular e oscilatório. Ademais, os deslocamentos radiais das cúspides foram de natureza assíncrona, e que a diferença de fase entre os folhetos aumentaram com o aumento da espessura destes elementos. A estrutura do escoamento sanguíneo à jusante das válvulas também foi impactada pelo movimento vibracional das cúspides, tendo um comportamento ondulatório e com picos de velocidades e de intensidades de turbulência coincidindo com os instantes dos vales do movimento dos folhetos. Por fim, as frequências variaram de 28,3 Hz até 36,7 Hz, enquanto que as amplitudes foram de 5,34 mm até 6,53 mm, onde a válvula com menor altura de protrusão não desenvolveu flutter ao longo do período que a válvula se encontrava aberta. |
| Abstract: | The low lifetime of biological prosthetic valves, comprising 10-15 years, is closely related to the occurrence of oscillations of the valve cusps due to interaction with blood flow, a phenomenon known as flutter. Furthermore, studies indicate that the parameters of leaflet oscillations are related to the geometry of heart valve prostheses. In this scenario, the objective of the present work is to perform a numerical fluid-structural study to evaluate the behavior of the flutter phenomenon of the leaflets of biological aortic valve prostheses. For this purpose, the biological prosthesis geometry, based on a geometric model available in the literature, and a fluid computational domain composed of an inlet region, outlet region and the sinuses of Valsalva were developed. The cusps thickness and the protrusion height of the valves were changed to analyze the influence of the geometric parameters of the valves on the vibrational parameters of the flutter. As boundary condition, a parabolic velocity profile was applied at the inlet, outflow at the outlet and fixed support on the sides of the leaflets. The valve cusps were considered to have linear elastic and isotropic behavior, while the blood was modeled as a Newtonian fluid. Turbulence was modeled according to the k – ω SST model. The simulations were performed using the commercial software Ansys 2023 R1. The numerical results indicated that, due to the occurrence of leaflet oscillations, both fluid dynamic quantities, such as pressure, velocity and turbulence intensity, as well as solid domain quantities, such as stress and strain, presented an irregular and oscillatory behavior. Furthermore, the radial displacements of the leaflets were asynchronous, and the phase difference between the leaflets increased with the increase in the thickness of these bodies. The blood flow at valves downstream was also impacted by the vibrational movement of the leaflets, having a wave-like behavior and with peaks of velocities and turbulence intensities coinciding with the moments of the troughs of the leaflet movement. Finally, the frequencies ranged from 28.3 Hz to 36.7 Hz, while the amplitudes ranged from 5.34 mm to 6.53 mm, where the valve with the lowest protrusion height did not develop flutter throughout the period that the valve is open. |
| Subject: | Bioengenharia Válvulas Prótese Valvula aórtica Modelos geométricos Análise numérica |
| language: | por |
| metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA |
| metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/74975 |
| Issue Date: | 21-Feb-2024 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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