Mechanical-energy loss and transfer in patient-specific carotid stenosis under heart-rate-dependent pulsatile inflow: A bidirectional fluid–structure interaction study

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作者
Jianbao Yang,Jingxi Yang,Yang Zhang,Junzhen Xue,Yulu Liu,Xi Cheng,Hongan Tian
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:38 (11)
标识
DOI:10.1063/5.0339178
摘要

Carotid artery stenosis substantially alters local hemodynamics and can increase blood-flow energy loss (BFEL). How heart-rate-dependent inflow redistributes viscous loss, wall-related net loss, and Reynolds-stress transfer remains unclear. Nine patient-specific carotid models spanning mild, moderate, and severe stenosis were examined using a bidirectional fluid–structure interaction framework. Flow-rate waveforms were converted to inlet velocities using case-specific common carotid artery areas; three-element Windkessel outlet models supported 27 simulations at 67, 100, and 140 beats per minute (bpm). Clinical Doppler ultrasound measurements were compared with predicted external and internal carotid velocity waveforms in one mild-stenosis case. A literature-based reconstructed phantom benchmark additionally assessed outlet-pressure predictions. Molecular viscous dissipation (Eμ), wall-related net energy loss (EW), and shear stress transport (SST)-modeled Reynolds-stress energy transfer (ERS) accounted for 10.14%–82.97%, 3.04%–32.81%, and 0.02%–66.37% of BFEL, respectively. Viscous loss dominated most cases, while BFEL generally increased from (3.0–10.5) × 10−5 J/cycle at 67 bpm to (5.4–17.7) × 10−5 J/cycle at 100 bpm and (7.0–23.0) × 10−5 J/cycle at 140 bpm, reflecting changes in flow magnitude and pulsatile timing. Wall-related loss varied comparatively little, whereas ERS responded strongly under selected conditions. In Case 7 at 140 bpm, ERS/BFEL was 66.37% with baseline SST and 62.52% with transition SST. A separate scale-resolving improved delayed detached-eddy simulation estimated mean-flow-to-fluctuation transfer and turbulence-associated irreversible dissipation at approximately 58.0% and 45.0% of BFEL, respectively. Thus, Reynolds-averaged Navier–Stokes-derived ERS is a model-dependent interscale-transfer metric rather than a physical turbulent-dissipation fraction.
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