Análise numérica fluido-estrutural do fenômeno de flutter em próteses de válvulas cardíacas biológicas

dc.creatorMatheus Carvalho Barbosa Costa
dc.date.accessioned2024-08-26T15:01:01Z
dc.date.accessioned2025-09-09T00:02:30Z
dc.date.available2024-08-26T15:01:01Z
dc.date.issued2024-02-21
dc.description.abstractThe 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.
dc.description.sponsorshipFAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/74975
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.subjectBioengenharia
dc.subjectVálvulas
dc.subjectPrótese
dc.subjectValvula aórtica
dc.subjectModelos geométricos
dc.subjectAnálise numérica
dc.subject.otherPróteses de válvulas cardíacas
dc.subject.otherInteração fluido-estrutural
dc.subject.otherFlutter
dc.subject.otherEspessura do folheto
dc.subject.otherAltura de protrusão da válvula
dc.subject.otherArbitrary Lagrangian-Eulerian
dc.titleAnálise numérica fluido-estrutural do fenômeno de flutter em próteses de válvulas cardíacas biológicas
dc.typeDissertação de mestrado
local.contributor.advisor1Rudolf Huebner
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9514309218273598
local.contributor.referee1Paulo Vinicius Trevizoli
local.contributor.referee1Marcelo Greco
local.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/8327472077446188
local.description.resumoA 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.
local.identifier.orcidhttps://orcid.org/0009-0000-0244-5044
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica

Arquivos

Pacote original

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
Matheus_Carvalho_Dissertação.pdf
Tamanho:
9.7 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format

Licença do pacote

Agora exibindo 1 - 1 de 1
Carregando...
Imagem de Miniatura
Nome:
license.txt
Tamanho:
2.07 KB
Formato:
Plain Text
Descrição: