Tese filipa carneiro 2009

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    15-Dec-2014

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<ul><li> 1. Universidade do MinhoEscola de EngenhariaAna Filipa Gonalves da Costa CarneiroInfluncia do Ciclo Cardaco no FluxoSanguneo na Vizinhaa da Bifurcao IlacaNovembro de 2009 </li> <li> 2. Universidade do MinhoEscola de EngenhariaAna Filipa Gonalves da Costa CarneiroInfluncia do Ciclo Cardaco no FluxoSanguneo na Vizinhana da Bifurcao IlacaTese de DoutoramentoEngenharia MecnicaTrabalho efectuado sob a orientao deProfessor Doutor Jos Carlos Fernandes TeixeiraProfessora Doutora Senhorinha Ftima Capela Fortunas TeixeiraDoutor Vasco Gama RibeiroNovembro de 2009 </li> <li> 3. Influncia do ciclo cardaco no fluxo sanguneo na vizinhana da bifurcao ilaca Ao meu pai iii </li> <li> 4. Influncia do ciclo cardaco no fluxo sanguneo na vizinhana da bifurcao ilacaAGRADECIMENTOSAgradeo Universidade do Minho e a todos que contriburam directa ouindirectamente para este projecto e, em particular, aos Departamentos de EngenhariaMecnica e de Produo e Sistemas por terem disponibilizado meios fsicos e tcnicosindispensveis para a elaborao deste trabalho. Fundao para a Cincia e a Tecnologia por ter financiado os trabalhos deinvestigao, atravs da bolsa SFRH/BD/31793/2006.Quero expressar, em primeiro lugar, o meu sincero agradecimento aos meusorientadores. Ao Professor Doutor Jos Carlos Teixeira e Professora DoutoraSenhorinha Teixeira pela orientao contnua e pelo apoio quer profissional querpessoal prestados ao longo deste trabalho. Ao Dr. Vasco Gama Ribeiro pelos conselhose apoio na transposio dos resultados experimentais e numricos para a medicina. Unidade de Hemodinmica do Centro Hospitalar de Vila Nova de Gaia pordisponibilizar imagens de exames de Tomografia Axial Computorizada.Ao Professor Doutor Eurico Seabra e Professor Doutor Paulo Flores pelo apoio noprojecto e construo do mecanismo came-seguidor.Ao Sr. Jlio Caldas, principalmente, pela pacincia em me ensinar as noes maisbsicas de mecnica e pela ajuda preciosa na construo da instalao experimental.Aos alunos Sofia Abreu e lvaro Fernandes, pela ajuda no projecto da instalaoexperimental. Professora Doutora ngela Silva pelas longas discusses entusiastas e construtivassobre os softwares GAMBIT e FLUENT e, igualmente importante, pela partilha dolaboratrio e de experincias pessoais. Cristina e ao Ricardo pela ajuda e partilha de saberes sobre programas grficos eFLUENT. A todos os funcionrios, docentes e no docentes, e investigadores pelofantstico ambiente de trabalho.A todos os meus amigos e famlia que me apoiaram nos momentos mais difceis. iv </li> <li> 5. Influncia do ciclo cardaco no fluxo sanguneo na vizinhana da bifurcao ilacaUm especial agradecimento s professoras Senhorinha Teixeira, ngela Silva e CelinaLeo pela amizade sincera para alm do trabalho e pela boa disposio e nimo emtodos os momentos.Ao meu marido Man pelo amor e aos meus filhos Tiago e Antnio por me ensinarem aapreciar cada momento vivido.Agradeo ao meu pai por me ter ensinado a ser empenhada no trabalho e a ser forte e minha me por tornar possvel a realizao dos meus sonhos. v </li> <li> 6. Influncia do ciclo cardaco no fluxo sanguneo na vizinhana da bifurcao ilacaRESUMOAs doenas cardiovasculares so a principal causa de morte na Europa e nos EstadosUnidos da Amrica. Uma das doenas cardiovasculares mais comuns a aterosclerose,que se caracteriza pela presena de depsitos na camada mais interna das paredes dasartrias de pequeno e mdio tamanho, incluindo substncias gordas, clcio, elementos eoutros produtos transformados pela corrente sangunea. Ao conjunto destes depsitoschama-se placa, originando espessamento e endurecimento das paredes arteriais. Aformao de placas , normalmente, mais comum em zonas de fluxo complexo,ocorrendo normalmente devido a bifurcaes, curvaturas e junes tipo-T das artrias.Este projecto tem por objectivo quantificar a relao entre a aterosclerose e ocomportamento da hemodinmica, numa artria bifurcada sob condies de fluxopulstil. Neste trabalho apresentado um estudo numrico e experimental docomportamento do fluxo sanguneo em geometrias propcias formao de placas nasparedes arteriais, sob condies fisiolgicas e anatmicas aproximadas realidade.Efectuou-se um estudo numrico usando dois programas comerciais: o Gambit paracriao da geometria e da malha, e o Fluent para a computao dinmica de fluidos(CFD). O fluxo sanguneo turbulento sendo simulado pelas equaes de Navier-Stokes, para fluidos incompressveis. Para validao destes estudos, projectou-se econstruiu-se uma instalao experimental, capaz de reproduzir o ciclo cardaco infra-renal, particular da aorta abdominal a montante das artrias renais. O perfil deste ciclopulstil apresenta a especificidade de induzir um fluxo reverso, de sentido negativo, dereproduo laboratorial complexa. Para reproduzir o fluxo sanguneo transiente, foiprojectado um sistema mecnico designado por came-seguidor, em simultneo com umdispositivo hidrulico para o controlo do fecho que acciona cilindros de duplo efeito. Osensaios laboratoriais basearam-se na utilizao de um sistema de anemometria laser porefeito Doppler (LDA) de dois componentes, em backscatter. Atendendo pequenadimenso da zona de ensaio, usou-se uma lente de transmisso de reduzida distnciafocal para aumentar a resoluo do equipamento de medida.Os estudos experimentais e numricos permitiram analisar o campo de velocidades emtodo o domnio geomtrico da bifurcao ilaca. Verificou-se a formao de uma zonade recirculao de fluido, em cada uma das duas artrias ilacas, imediatamente a vi </li> <li> 7. Influncia do ciclo cardaco no fluxo sanguneo na vizinhana da bifurcao ilacajusante da bifurcao, sendo consequentemente um local propcio deposio de placas.Concluiu-se que a aterosclerose se desenvolve essencialmente na fase de desaceleraodo ciclo cardaco, devido elevada oscilao das tenses de corte nas paredes e aumento dasdimenses da zona de recirculao verificados, que se mantm estvel por perodos longos. Adistribuio desequilibrada do escoamento pelas duas artrias ilacas promove a formao derecirculao naquela que est sujeita a menor caudal. Os factores que podem afectar a doenaso a geometria da bifurcao ilaca, como a sua forma e dimetro, e as diferentes distribuiesde fluxo sada das artrias ilacas provocadas por possveis estenoses das artriassubsequentes. vii </li> <li> 8. Influncia do ciclo cardaco no fluxo sanguneo na vizinhana da bifurcao ilacaABSTRACTCardiovascular diseases are the leading cause of death in Europe and in the UnitedStates of America. One of the most common cardiovascular diseases is atherosclerosis,which is characterized by the presence of deposits in intimal wall of small and mediumarteries, including fat substances, calcium, elements and others products transformed ofblood flow. This set of deposits is called plaque originating a kind of arterial wallthickness. The plaque development occurs more often at complex flow zones, where theartery is bifurcated, curved and has a junction.The objective of this research is to quantify the relationship between atherogenesis andfeatures in hemodynamics, assuming a pulsatile blood flow within a bifurcated circularsegment of an artery with circular cross-section. This work will present an experimentaland numeric study of blood flow in complex geometries propitious to plaquedevelopment at arterial walls, under some assumptions of the realistic physiologic andanatomic conditions.The numerical research was carried out using two commercial softwares: Gambit forthe geometry and grid generation, and Fluent for the Computational Fluid Dynamic(CFD). Blood flow is turbulent and well predicted by the incompressible form of theNavier-Stokes equations. To validate these studies, it was designed and built anexperimental facility, able to reproduce the infra-renal cardiac cycle, particular of theabdominal aorta downstream the renal arteries. The pulsatile profile of this cyclepresents the specificity of including a period of reverse flow, or a backflow, and so ofcomplex laboratorial reproducibility. In this purpose, it was designed a mechanism,named came-follower, combined with a hydraulic close-control device that actuatesdouble effect rams. The laboratory experiments were based on a two component LaserDoppler Anemometry (LDA) technique, operating in backscatter. Because of the smalldimension of the test section, it has been used a lens of small focal distancetransmission to increase the spatial resolution of the measuring equipment. These testsvalidated the numerical studies.The experimental and numerical studies allowed the velocity distribution analysis alongthe geometric domain. It was observed the formation of a recirculation bubble, in each viii </li> <li> 9. Influncia do ciclo cardaco no fluxo sanguneo na vizinhana da bifurcao ilacaof the two iliac arteries, immediately downstream the iliac bifurcation, beingconsequently, a region prone to the plaque deposition. It was concluded that theatherosclerosis is essentially developed during the deceleration phase of the cardiaccycle, due to the high oscillation of the wall shear stress that increase the size andduration of the recirculation bubble. Unbalanced flow distribution in the iliac arteriesenhances the likelihood of flow separation in the starved branch of the cardiovascularsystem. The parameters that may affect the disease are the iliac bifurcation geometry,such as its form and diameter, and different distributions of the outflow by the two iliacarteries, probably due to stenosis in the subsequent arteries. ix </li> <li> 10. Influncia do ciclo cardaco no fluxo sanguneo na vizinhana da bifurcao ilacaNDICELISTA DE FIGURAS ......................................................................................................... xiiLISTA DE TABELAS ........................................................................................................ xixLISTA DE SMBOLOS ......................................................................................................... x1. INTRODUO ................................................................................................................ 1 1.1 A Aterosclerose................................................................................................. 1 1.2 Importncia do estudo do fluxo sanguneo .................................................... 4 1.3 Objectivos do trabalho .................................................................................... 62. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................................ 8 2.1 Hemodinmica ................................................................................................. 9 2.2 Ciclo cardaco infra-renal ............................................................................. 13 2.3 Bifurcao ilaca ............................................................................................. 183. MODELO COMPUTACIONAL....................................................................................... 23 3.1 Introduo ...................................................................................................... 24 3.2 Equaes de Conservao ............................................................................. 26 3.3 Fluido .............................................................................................................. 28 3.4 Geometria e condies de fronteira .............................................................. 30 3.5 Mtodo dos Volumes Finitos ......................................................................... 33 3.6 Esquema de discretizao no tempo............................................................. 35 3.7 Algoritmo de soluo ..................................................................................... 37 3.8 Ps-processamento da soluo ...................................................................... 404. INSTALAO EXPERIMENTAL.................................................................................... 42 4.1 Instalao Experimental................................................................................ 43 4.1.1 Esquema geral ............................................................................................ 43 4.1.2 Bifurcao ilaca ......................................................................................... 48 4.1.3 Sistema de fluxo pulsatil ............................................................................ 49 4.2 Tcnicas Experimentais ............................................................................. 63 4.2.1 Anemometria Doppler a Laser ................................................................. 63 4.2.1.1 Princpio bsico de funcionamento ..................................................... 64 4.2.1.2 Sentido da velocidade ........................................................................... 66 4.2.1.3 Seleco de partculas inseminadoras................................................. 66 4.2.1.4 Configurao do sistema de LDA utilizado................................</li></ul>