An effective numerical technique for pipe-like domains and its application in computational hemodynamics

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2018
Autor(a) principal: Mansilla Alvarez, Luis Alonso
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Laboratório Nacional de Computação Científica
Coordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA)
Brasil
LNCC
Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://tede.lncc.br/handle/tede/374
Resumo: In the last decades, the role of the computational hemodynamics in the domain of cardiovascular diseases has become fundamental due the large evidence of the correlation between flow-related quantities (such as velocity, pressure, wall shear stresses among others) and the localization and onset of alterations in the mechanobiology of the arterial wall. These promising capabilities are still strongly limited for massive usage in the daily medical practice due to the trade-off between the quantity/quality of information provided by the current methodologies and their computational costs (in terms of time and physical resources). Classical examples are the cheap one-dimensional models, unable to provide insight about wall shear stresses, and the full 3D models with extensive predictive capabilities but highly prohibitive for massive use due to the large computational cost. In this work, a novel numerical technique is proposed for the discretization of the Navier- Stokes equations. This approach, coined as Transversally Enriched Pipe Element Method (TEPEM), is able to provide hemodinamically relevant information at a fraction of the time of full 3D simulations with standard finite element methods. The capabilities of this methodology are studied and the results confirm the effectiveness in terms of maintaining satisfactory accuracy and of reducing the computational resources and execution time.
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spelling An effective numerical technique for pipe-like domains and its application in computational hemodynamicsHemodinâmica - Simulação por computadorMecânica dos fluidosMétodo dos elementos finitosSimulações de pacientes específicosCNPQ::CIENCIAS DA SAUDE::MEDICINA::CLINICA MEDICA::CARDIOLOGIAIn the last decades, the role of the computational hemodynamics in the domain of cardiovascular diseases has become fundamental due the large evidence of the correlation between flow-related quantities (such as velocity, pressure, wall shear stresses among others) and the localization and onset of alterations in the mechanobiology of the arterial wall. These promising capabilities are still strongly limited for massive usage in the daily medical practice due to the trade-off between the quantity/quality of information provided by the current methodologies and their computational costs (in terms of time and physical resources). Classical examples are the cheap one-dimensional models, unable to provide insight about wall shear stresses, and the full 3D models with extensive predictive capabilities but highly prohibitive for massive use due to the large computational cost. In this work, a novel numerical technique is proposed for the discretization of the Navier- Stokes equations. This approach, coined as Transversally Enriched Pipe Element Method (TEPEM), is able to provide hemodinamically relevant information at a fraction of the time of full 3D simulations with standard finite element methods. The capabilities of this methodology are studied and the results confirm the effectiveness in terms of maintaining satisfactory accuracy and of reducing the computational resources and execution time.Nas últimas décadas, o papel desenvolvido pela hemodinâmica computacional no campo das doenças cardiovasculares tem sido fundamental devido à demonstrada correlação entre quantidades próprias do escoamento (tais como velocidade, pressão, tensões cisalhantes, entre outras) e a localização e evolução de alterações na mecanobiologia da parede arterial. Embora altamente promissoras, o uso de uma abordagem computacional na prática médica tem sido altamente limitado devido ao balanço entre a qualidade (e quantidade) de informação que metodologias atuais podem prover e o custo computacional que tais estratégias demandam (em termos de tempo e recursos físicos). Exemplos clássicos desse balanço são os modelos unidimensionais que, embora não sendo computacionalmente custosos, são incapazes de prover informação sobre as tensões cisalhantes exercidas pelo sangue sobre o endotélio, e os modelos 3D os quais, mesmo sendo capazes de dar informação detalhada da dinâmica sanguínea, tem seu uso restrito a pequenas regiões do sistema cardiovascular devido ao enorme custo computacional envolvido. Tal contexto tem motivado a procura por novas metodologias capazes de prover informação relevante para o uso clínico mas com uma redução significativa no custo computacional. Nesse trabalho, um novo esquema numérico é proposto para a discretização das equações de Navier-Stokes. Essa abordagem, denominada Transversally Enriched Pipe Element Method (TEPEM), tem se demonstrado capaz de fornecer informação relevante do escoamento sanguíneo empregando uma fração do tempo utilizado em simulações 3D baseadas no FEM. As capacidades desta abordagem são exploradas e os resultados demonstram sua eficácia em termos de manter uma precisão aceitável, reduzir os recursos computacionais necessários e o tempo de simulação.Laboratório Nacional de Computação CientíficaCoordenação de Pós-Graduação e Aperfeiçoamento (COPGA)BrasilLNCCPrograma de Pós-Graduação em Modelagem ComputacionalBlanco, Pablo JavierFeijóo, Raúl AntoninoBlanco, Pablo JavierLoula, Abimael Fernando DouradoAlmeida, Regina Célia Cerqueira deVeneziani, AlessandroCoutinho, Alvaro Luiz Gayoso de AzeredoMansilla Alvarez, Luis Alonso2023-08-22T18:28:22Z2018-03-21info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfMANSILLA ALVAREZ, L. A. An effective numerical technique for pipe-like domains and its application in computational hemodynamics, 2018, 19 f. Tese (Doutorado em Modelagem Computacional) - Laboratório Nacional de Computação Científica, Petrópolis, 2018.https://tede.lncc.br/handle/tede/374enghttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCCinstname:Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC)instacron:LNCC2023-08-23T04:14:27Zoai:tede-server.lncc.br:tede/374Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://tede.lncc.br/PUBhttps://tede.lncc.br/oai/requestlibrary@lncc.br||library@lncc.bropendoar:2023-08-23T04:14:27Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do LNCC - Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC)false
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