The Rheology of Blood Flow in a Branched Arterial System.

Abstract

Blood flow rheology is a complex phenomenon. Presently there is no universally agreed upon model to represent the viscous property of blood. However, under the general classification of non-Newtonian models that simulate blood behavior to different degrees of accuracy, there are many variants. The power law, Casson and Carreau models are popular non-Newtonian models and affect hemodynamics quantities under many conditions. In this study, the finite volume method is used to investigate hemodynamics predictions of each of the models. To implement the finite volume method, the computational fluid dynamics software Fluent 6.1 is used. In this numerical study the different hemorheological models are found to predict different results of hemodynamics variables which are known to impact the genesis of atherosclerosis and formation of thrombosis. The axial velocity magnitude percentage difference of up to 2 % and radial velocity difference up to 90 % is found at different sections of the T-junction geometry. The size of flow recirculation zones and their associated separation and reattachment point's locations differ for each model. The wall shear stress also experiences up to 12 % shift in the main tube. A velocity magnitude distribution of the grid cells shows that the Newtonian model is close dynamically to the Casson model while the power law model resembles the Carreau model. ZUSAMMENFASSUNG: Die Rheologie von Blutströmungen ist ein komplexes Phänomen. Gegenwärtig existiert kein allgemein akzeptiertes Modell, um die viskosen Eigenschaften von Blut wiederzugeben. Jedoch gibt es mehrere Varianten unter der allgemeinen Klassifikation von nicht-Newtonschen Modellen, die das Verhalten von Blut mit unterschiedlicher Genauigkeit simulieren. Die Potenzgesetz-, Casson und Carreau-Modelle sind beliebte nicht-New-tonsche Modelle und beeinflussen die hämodynamischen Eigenschaften in vielen Situationen. In dieser Studie wurde die finite Volumenmethode angewandt, um die hämodynamischen Vorhersagen dieser Modelle zu untersuchen. Um die finite Volumenmethode zu implementieren, wurde die Fluiddynamiksoftware Fluent 6.1 verwendet. In dieser numerischen Studie wurde gefunden, dass die unterschiedlichen hämorheologischen Modelle unterschiedliche Resultate für die hämodynamischen Grössen vorhersagen, von denen bekannt ist, dass sie die Entstehung von Arteriosklerose und die Bildung von Thrombose beeinflussen. Es wurde gefunden, dass die relative Differenz der axialen Geschwindigkeit bis zu 2% und die der radialen Geschwindigkeit bis zu 90% in unterschiedlichen Abschnitten der T-Verbindung beträgt. Die Grösse der Strömungszirkulationszonen und ihrer dazugehörigen Trennungs- und Vereinigungspunkte differieren für jedes Modell. Die Scherspannung an der Wand erfährt ebenfalls eine Verschiebung im Hauptrohr von bis zu 12%. Der Verlauf der Geschwindigkeit auf den Gitterzellen zeigt, dass das Newtonsche Modell mit Bezug auf die Dynamik dem Casson-Modell nahe ist, während das Potenzgesetzmodell dem Carreau-Modell ähnlich ist. R#ENTITYSTARTX000E9;SUM#ENTITYSTARTX000E9;: La rhéologie de l'écoulement sanguin est un phénomène complexe. Présentement, il n'y a pas de consensus universel sur le modèle qui représente la propriété visqueuse du sang. Cependant, parmi la classification générale des modèles non-Newtoniens qui simulent le comportement du sang avec différents degrés de précision, il y a plusieurs différences. Les lois de puissance, les modèles de Casson et Carreau sont des modèles non-Newtoniens populaires et ont un effet sur les quantités hémodynamiques sous plusieurs conditions. Dans cette étude, la méthode de volume fini est utilisée pour explorer les prédictions hémodynamiques de chacun de ces modèles. Pour implémenter la méthode de volume fini, le logiciel de calcul de dynamique des fluides Fluent 6.1 a été utilisé. Dans cette étude numérique, les différents modèles hémorhéologiques tendent à prédire des résultats différents pour les variables hémodynamiques qui sont reconnues comme ayant un impact sur la genèse de l'artériosclérose et de la thrombose. Une différence jusqu'à 2% dans l'amplitude de la vélocité axiale et une différence jusqu'à 90% dans la vélocité radiale sont découverts dans différentes sections d'une géométrie de type jonction en T. La taille des zones de re-circulation d'écoulement et les localisations des points de séparation et de rattachement qui leur sont associées, diffèrent pour chacun des modèles. La contrainte de cisaillement aux parois présente également un déplacement de 12% dans le tube principal. La distribution de l'amplitude de vitesse dans les cellules du maillage montre que le modèle Newtonien est dynamiquement proche du modèle de Casson tandis que le modèle en loi de puissance ressemble au modèle de Carreau.