Flow Structure and Transition to Local Turbulence Downstream of an Asymmetric Narrowing that Imitates Arterial Stenosis

V. M. Molochnikov; Молочников В. М.; N. S. Dushin; Душин Н. С.; N. D. Pashkova; Пашкова Н. Д.; Ya. A. Gataulin; Гатаулин Я. А.; E. M. Smirnov; Смирнов Е. М.; A. D. Yukhnev; Юхнев А. Д.

doi:10.31857/S056852812260093X

СТРУКТУРА ТЕЧЕНИЯ И ПЕРЕХОД К ЛОКАЛЬНОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ЗА АСИММЕТРИЧНЫМ СУЖЕНИЕМ, ИМИТИРУЮЩИМ СТЕНОЗ АРТЕРИИ

Авторы: Молочников В.М.¹^,2, Душин Н.С.¹, Пашкова Н.Д.¹^,2, Гатаулин Я.А.³, Смирнов Е.М.³, Юхнев А.Д.³
Учреждения:
1. Федеральный исследовательский центр Казанский научный центр РАН
2. Казанский национальный исследовательский технический университет им А.Н. Туполева
3. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Выпуск: № 2 (2023)
Страницы: 72-84
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/1024-7084/article/view/135069
DOI: https://doi.org/10.31857/S056852812260093X
EDN: https://elibrary.ru/NTTDUV
ID: 135069

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований и численного моделирования структуры течения в отрывной области за асимметричным сужением гладкого канала, имитирующим односторонний 70% стеноз артерии. Число Рейнольдса составляло 1800. Измерение мгновенных векторных полей скорости потока выполнялось с использованием SIV-метода. Численное решение получено методом моделирования крупных вихрей. Задание входных возмущений при численном моделировании, близких к условиям эксперимента, позволило получить удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных полей скорости и компонент тензора рейнольдсовых напряжений. Получены данные о формировании области локальной турбулизации потока за сужением и последующей реламинаризации течения вниз по потоку. Показано, что вблизи горла сужения формируется пара вторичных вихрей, локализованная в пределах области отрыва потока.

Ключевые слова

асимметричное сужение канала, вихреразрешающее моделирование, отрыв потока, локальная турбулизация, входные возмущения, реламинаризация

Список литературы

Glagov S., Zarins C., Giddens D.P., Ku D.N. Hemodynamics and atherosclerosis. Insights and perspectives gained from studies of human arteries // Arch. Pathol. Lab. Med. 1988. V. 112. № 10. P. 1018–1031.
Wootton D.M., Ku D.N. Fluid mechanics of vascular systems, diseases, and thrombosis // Annu. Rev. Biomed. Eng. 1999. V. 1. № 1. P. 299–329.
Berger S.A., Jou L.D. Flows in stenotic vessels // Annu. Rev. Fluid Mech. 2000. V. 32. № 1. P. 347–382.
Weinberg P.D. Hemodynamic wall shear stress, endothelial permeability and atherosclerosis-A triad of controversy // Front Bioeng. Biotechnol. 2022. V. 10. Art. 836680. P. 1–29.
Caro C.G., Fitz-Gerald J.M., Schroter R.C. Atheroma and arterial wall shear-observation, correlation and proposal of a shear dependent mass transfer mechanism for atherogenesis // Proc. R. Soc. Lond.Ser. B. Biological Sciences. 1971. V. 177. № 1046. P. 109–133.
Gibson C.M., Diaz L., Kandarpa K., Sacks F.M., Pasternak R.C., Sandor T., Feldman C., Stone P.H. Relation of vessel wall shear stress to atherosclerosis progression in human coronary arteries // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 1993. V. 13. № 2. P. 310–315.
Caro C.G. Discovery of the role of wall shear in atherosclerosis // Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol. 2009. V. 29. № 2. P. 158–161.
Barber T. Wall shear stress and near-wall flows in the stenosed femoral artery // Comput. Methods Biomech. Biomed. Eng. 2017. V. 20. № 10. P. 1048–1055.
Khalifa A.M.A., Giddens D.P. Analysis of disorder in pulsatile flows with application to poststenotic blood velocity measurement in dogs // J. Biomech. 1978. V. 11. № 3. P. 129–141.
Hutchison K.J., Karpinski E. In vivo demonstration of flow recirculation and turbulence downstream of graded stenoses in canine arteries //J. Biomech. 1985. V. 18. № 4. P. 285–296.
Wong E.Y., Nikolov H.N., Rankin R.N., Holdsworth D.W., Poepping T.L. Evaluation of distal turbulence intensity for the detection of both plaque ulceration and stenosis grade in the carotid bifurcation using clinical Doppler ultrasound // Eur. Radiol. 2013. V. 23. № 6. P. 1720–1728.
Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов. М.: Мир. 1983. 400 с.
Ku D.N. Blood flow in arteries // Annu. Rev. Fluid Mech. 1997. V. 29. № 1. P. 399–434.
Cassanova R.A., Giddens D.P. Disorder distal to modeled stenoses in steady and pulsatile flow. // J. Biomech. 1978. V. 11. № 10–12. P. 441–453.
Ahmed S.A., Giddens D.P. Flow disturbance measurements through a constricted tube at moderate Reynolds numbers // J. Biomech. 1983. V. 16. № 12. P. 955–963.
Ojha M., Cobbold C., Johnston K., Hummel R. Pulsatile flow through constricted tubes: An experimental investigation using photochromic tracer methods // J. Fluid Mech. 1989. V. 203. P. 173–197.
Mallinger F., Drikakis D. Instability in three-dimensional unsteady stenotic flows // Int. J. Heat Fluid Flow. 2002. V. 23. № 5. P. 657–663.
Sherwin S.J., Blackburn H.M. Three-dimensional instabilities of steady and pulsatile axisymmetric stenotic flows // J. Fluid Mech. 2005. V. 533. P. 297–327.
Varghese S.S., Frankel S.H., Fischer P.F. Direct numerical simulation of stenotic flows. Part 1. Steady flow // J. Fluid Mech. 2007. V. 582. P. 253–280.
Varghese S.S., Frankel S.H., Fischer P.F. Direct numerical simulation of stenotic flows. Part 2. Pulsatile flow // J. Fluid Mech. 2007. V. 582. P. 281–318.
Paul M.C., Molla M.M. Investigation of physiological pulsatile flow in a model arterial stenosis using large-eddy and direct numerical simulations // Appl. Math. Model. 2012. V. 36. № 9. P. 4393–4413.
Choi W., Park J.H., Byeon H. Flow characteristics around a deformable stenosis under pulsatile flow condition // Phys. Fluids. 2018. V. 30. № 1. P. 011902.
Гатаулин Я.А., Смирнов Е.М. Численное исследование структуры и локальной турбулизации течения в кровеносном сосуде с односторонним стенозом // Науч.-техн. ведомости С.-Петербург. гос. политехн. ун-та. Физ.-мат. науки. 2021. Т. 14. № 1. С. 72–84.
Freidoonimehr N., Chin R., Zander A., Arjomandiet V. Effect of shape of the stenosis on the hemodynamics of a stenosed coronary artery // Phys. Fluids. 2021. V. 33. № 8. P. 081914.
Михеев Н.И., Душин Н.С. Метод измерения динамики векторных полей скорости турбулентного потока по видеосъемке дымовой визуализации // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 6. С. 114–122.