基于fluent离心式血泵内流场仿真与结构优化

提高溶血性能,降低溶血率作为血泵性能优化的一个重要指标,对血泵的结构优化具有重要的指导意义。本文基于一款离心式血泵通过使用计算流体力学（CFD）技术,采用非结构化网格、N-S方程和标准K-ε湍流模型在fluent中模拟分析出不同工况下血泵流场内部的剪切力场、压力场等重要参数并根据叶轮流场数据分析,提出了4种不同的结构优化方案;并基于三维快速溶血预估模型计算出不同流量、不同叶轮结构下血泵的溶血性能。仿真结果显示:当叶片与叶轮径向夹角为45°,流量达到5 L/min、转速为2 100 r/min时,扬程为115 mmHg,溶血率达到0.022 1 g/100 L,优化后模型较原模型溶血率提升40.9%,满足人体泵血生理需求。实验结果显示:选用优化后结构进行实验分析,得到扬程的实验数据与仿真数据相互验证,进一步证实了该仿真结果的准确性。     

磁悬浮离心式心室辅助装置的体外溶血测试**

背景：心室辅助装置已广泛应用于心力衰竭患者的治疗。虽然有不同的血泵在国外应用于临床,却很少在国内应用,主要原因是其价格太高。因此在国内研制相对价格较低的能应用于临床的自主血泵迫在眉睫。 目的：测试置入式磁悬浮离心心室辅助装置主体血泵的溶血性能。 方法：通过计算流体力学方法,对磁悬浮离心式心室辅助装置主体血泵内部流场做初步分析。血泵在后负荷100 mm Hg     (1 mm Hg=0.133 kPa)、流量5 L/min 情况下,通过体外模拟血循环系统驱动羊血测试血泵体外溶血性能,计算血泵实际标准溶血指数NIH。 结果与结论：在设计工况下计算流体力学结果显示血泵内部流线平稳,整个流道内部壁面剪切力均在68.5 Pa以下,内部静压力分布均匀,过渡平稳,没有不良区域出现。体外溶血实验测得标准溶血指数NIH值为(0.075±0.017) mg/L。提示血泵驱动叶片及内部流道设计合理,同第3代血泵相比有较好溶血性能。血泵实验期间无不良状况发生,可以进行下一步长期的动物体内实验,进而评估血泵体内血流动力学性能和血泵置入对实验动物脏器的影响。     

微型轴流血泵溶血的数值模拟

基于N-S方程和标准K-ε湍流模型,采用非结构网格技术,对微型轴流血泵内部三维流场进行了数值模拟,得到了速度场、压力场等流场细节;同时采用Lagrange粒子追踪法获得了沿不同流线的剪应力以及红细胞暴露接触时间的分布,并引入溶血计算的经验公式,计算对比了不同转速条件下血泵的溶血指标,重点分析了血泵在5L/min、8000r/min工况下的溶血性能,对于血泵溶血的估算,本方法是可行的.     

轴流血泵入口管道流场的数值模拟与实验研究

目的研究轴流血泵入口管道内血流流场分布情况及血栓形成风险。方法利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟血泵及入口管道内流动情况,获取血流速度及其分布;用二维粒子成像测速(particle image velocimetry,PIV)系统测试轴流血泵入口管道中心截面内的血液流动情况及三维粒子成像测速系统测试整个管道内的血液流动情况。CFD计算和PIV实验中血泵的转速为8000 r/min,流量为5.0 L/min。通过分析入口管道内的流场分布评价血泵入口管道内的血栓形成风险。结果整个入口管道内不存在回流、涡流和低速流动区域,血液沿管道的流动速度在管壁边界层外由0 m/s迅速增大到0.8 m/s以上。管道内的血液流速集中分布于1.2~1.5 m/s范围,管道内的平均紊流度为0.17。结论由于管道内的流动平稳且不存在回流、涡流和低速流动,因此不易形成血栓。入口管道使血流平稳,有助于改善轴流血泵内的流场。     

两级轴流血泵基于血液损伤的数值分析

植入式微型轴流血泵工作时的高叶轮转速会增加血液损伤的风险。本文试图通过将轴流血泵设计成两级的方式来减小发生溶血和血栓的风险。本文对两级及单级轴流血泵在进口流量5L/min、出口压力100mm Hg的工况下进行数值模拟,并对比了溶血程度及血小板活化程度。研究结果显示,两级轴流血泵溶血程度优于单级设计,而血小板活化程度差于单级设计。在溶血程度和血小板活化程度的指标上,两级低-高扬程叶轮组合血泵设计优于两级等扬程和两级高-低扬程叶轮组合血泵设计。在降低植入式微型轴流血泵的血液损伤风险方面,本文的研究结果可为其提供一定的理论基础和新的设计思路。     

基于溶血性能的离心式旋转血泵设计

溶血性能是衡量血泵性能的一个重要指标.基于平均剪切应力模型,通过减少红细胞流经叶轮的时间和降低它在此过程中所受平均剪切应力的方法,对离心血泵进行设计,进而改善溶血性能.采用商用流体仿真软件Fluent,对血泵内的三维不可压湍流流场进行数值模拟,得到红细胞在血泵内的流动迹线和流动参数;应用溶血估算公式,分析不同流量下血泵的溶血性能,计算得到溶血估算值在0.006-0.015之间,有较好的溶血性能,满足血泵对溶血性能的要求.     

叶轮设计对叶轮式人工心脏溶血性能的影响

为了评价人工心脏的叶轮设计对血泵溶血性能的影响 ,笔者设计加工了叶片角和叶片数分别为(2 0° ,6 )、(30° ,6 )、(40° ,6 )、(30°,5 )和 (30°,7)的五个对数螺线等角叶轮 ,并基于不同扬程和流量下的体外溶血试验 ,探讨了叶轮设计参数与血泵溶血性能之间的相关性 ,从而系统地评价血泵各设计及运行参数对溶血破坏的影响 ,获取了血泵最佳设计参数及运行工况点等重要数据。实验结果表明 :血泵采用叶片角为 30°的六叶叶片 ,进出口压力差 10 0mmHg ,流量 4L/min时 ,其对血细胞破坏最小。     

基于粒子图像测速技术的血泵内流场研究

自制外触发同步系统,应用二维粒子图像测速技术技术(PIV)实现了流线型叶轮血泵和直叶片叶轮血泵的内流场的测量,并分析叶轮设计和运行条件对血泵内流场和血液相容性的影响.实验结果表明:基于外触发同步的PIV系统实现了对血泵同一流道的流速信息的连续采样;血泵内的绝对速度和相对速度分布随着叶轮设计、流量和进出口压差而改变.在设计工况(4 L/min,100 mmHg)下,流线型叶轮血泵流道内的流动模式较为规则,而直叶片血泵的流动模式则出现了明显的旋涡、回流和流动分离等现象.根据血液动力学理论,在设计工况下,流线型叶轮血泵具有较好的血液相容性.     

新一代左心室磁悬浮辅助泵血流动力学分析

目的降低左心室磁悬浮辅助泵的血栓形成概率和溶血风险,提升辅助泵供血效率。方法利用计算流体动力学方法,研究泵体出口直径、出口角度、出口与泵内壁面连接处圆角尺寸和转子与壳体间间隙对流场的影响,优化泵体内部结构,改善流体动力学性能。结果新一代左心室磁悬浮辅助泵与上一代辅助泵相比,泵内壁面最大壁面剪切应力(wall shear stress,WSS)降低约23. 6%,辅助泵内转子壁面最大WSS降低约47. 4%,WSS200 Pa区域面积降低约76. 2%,出口流量提升约14. 4%。结论新一代左心室磁悬浮辅助泵内部血流流迹趋于平缓,血流流体动力学性能有综合提升。研究结果为今后左心室磁悬浮辅助泵的优化设计及相关实验研究提供参考依据。     

磁耦合驱动搏动式血泵的可行性研究

目的提出一种磁耦合驱动搏动式血泵结构并验证其可行性。方法基于磁场传递往复作用力模型以及推拉互挽式结构设计磁耦合驱动搏动血泵,通过建立磁力驱动模型,计算耦合力大小,制作样机并对样机进行体外循环模拟试验,获得压力和流量实验数据。结果采用生理盐水作为循环介质,固定后负荷,增加前负荷,血泵输出量减少,没有明显线性趋势;固定前负荷,增加后负荷,血泵输出量减少,且具有一定线性趋势。设置驱动频率为75次/min时,调节前、后负荷改变范围分别为0.665~3.990 k Pa(5~30 mm Hg)和5.320~11.970 k Pa(5~30 mm Hg),可使输出量在保证线性关系条件下达到2.0~3.1 L/min。结论该搏动式血泵流体力学特性基本满足体外膜肺循环的需要,仍需进一步研究和改进;研究结果具有重要的应用前景,尤其对替代目前临床体外膜肺氧合设备的血泵装置具有重要意义。     

XZ-Ⅱ型轴流血泵的流场分析

血液破坏是目前影响国产心室辅助装置(ventricular assist device,VAD)不能临床应用的主要障碍.方法本文中采用计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)工具设计XZ-Ⅱ型轴流血泵,并用计算流体力学(computationalfluid dynamics,CFD)方法进行泵内流场分析对VAD进行血液相容性研究.结果①血泵的压力流量输出可以满足心室辅助的要求;②流场中的最大剪切率出现在叶轮入口的地方,在整个叶轮端面保持了较高的剪切率,而且随着转速升高,剪切率增大,流量增加,剪切率也增大;③在叶轮相对径向流速以较高速度旋转时,在入口附近,流场保持层流状态,接近转子时,出现周向剪切速度,转子和泵壁之间的流场出现了不对称性,中下壁面出现较大波动,在叶轮附近,流场发生剧烈的变化,在靠近轮毂的地方会出现湍流,叶片之间出现较大的分离涡流,在出口导流叶片与叶轮的相接区域,流动出现局部回流,在狭窄的交接区域,出现流动滞止,流体进入导流叶片时,流动方向在此急剧变化会引起流动分离,从而影响了出口流速和流动的稳定性;④叶轮与出口导叶片接触端面压力变化剧烈.结论叶轮内部、叶轮与导叶片连接部分、出口导叶片内部流场不稳定容易形成涡流和流动停滞,容易形成血栓;叶轮与出口导叶片连接端面以及叶轮内部剪切力较高,容易产生溶血.     

计算流体力学分析评价XZ-Ⅱ型血泵的血液破坏

目的运用计算机流体力学(CFD)分析评价XZ-Ⅱ型血泵的溶血情况.方法将XZ-Ⅱ型血泵的主体血泵CAD二维图采用Solid Work三维造型软件过渡生成几何数据文件,然后采用Fluent 6.1流场分析软件做计算和流场分析,同时进行体外溶血实验.结果CFD显示,在叶轮入口、叶轮的端面和叶轮与导流叶片间,有较大的剪切率产生,且后者引起流动分离,从而影响了出口流速和流动的稳定性;体外溶血实验示,标准溶血指数(NIH)为(0.0473±0.0165)mg/dL.结论采用湍流模型和非牛顿流体粘性系数公式进行CFD对血泵溶血情况的分析,基本反映了血泵内部血流特性,XZ-Ⅱ型血泵在叶轮入口、叶轮端面和导流叶片等处产生高剪切力,应进行相应的改进.     

三种叶片式血泵的体外溶血试验研究

血泵对血液的破坏程度是衡量血泵性能的一个重要指标。本文针对三种叶片式血泵即离心泵、轴流泵、混流泵的溶血试验做一比较分析。在试验中 ,选用了我们研制的Ⅰ型离心血泵、磁耦合型轴流血泵、螺旋混流泵。在一封闭管道中 ,注入新鲜抗凝羊血 5 0 0ml,水浴温度 37℃ ,血泵辅助流量为 5L min ,平均压力10 0mmHg,分别在泵转后 0、 0 5、 1 0、 1 5、… 4 0h测量血浆中游离血红蛋白 (FHB)和纤维蛋白原 (FIB)含量 ,最后计算出三个血泵整个过程中的标准溶血指数NIH。结果表明三种血泵对血液都有一定的破坏 ,它们的NIH值分别为 0 112 5± 0 0 15 7g 10 0L、 0 0 931± 0 0 137g 10 0L和 0 0 5 6 1± 0 0 0 5 8g 10 0L ,由此可得出混流泵对血液的破坏最小。     

轴流式左心辅助泵的出口管道流场PIV 实验研究

研究轴流式左心辅助泵的出口管道内血流流场的分布情况,根据流动特性与血栓形成的关系,分析轴流血泵管道内的血栓形成风险。用二维粒子成像测速(PIV)系统测试轴流式左心辅助泵的出口管道中心截面内血液沿管道的流动情况,用三维粒子成像测速系统测试整个管道内的血液流动情况,实验过程中辅助泵的转速为（10 000±20）r/min,流量为8.05 L/min,通过分析出口管道内的血液流场结果,预测左心辅助泵管道内的血栓形成可能。结果表明,辅助泵的出口附近血液存在螺旋流动和明显的垂直于管壁的流动,但在流动中逐渐降低,整个管道内不存在回流、涡流和低速流动区域,管道内血液沿管道的流动速度在管壁边界层外由0 m/s迅速增大到极大值1.0 m/s以上。沿管道方向,管道内的血液流速分布范围由0.7 ～2.2 m/s降低至1.0 ～1.5 m/s。泵的出口附近紊流度为0.31,距离泵的出口较远处的紊流度降低至0.15,血液流动趋于平稳。由于管道内的流动平稳且不存在回流、涡流和低速流动区域,因此不易形成血栓。出口管道有助于消除轴流式左心辅助泵流出血液的螺旋流动和紊流,使血流平稳,减少对人主动脉的损伤。     

采用永磁悬浮的永久性左心室辅助装置

研制出一台采用永磁轴承的左心室辅助装置（LVAD）。该装置包括一个定子和一个转子，采用径向驱动方式；转子包括驱动磁钢和叶轮，电机定子线圈和泵壳组成定子。装置设计采用了一种特殊结构的永磁轴承。转子的位置测量表明，转子稳定悬浮的前提条件是必须有较高的转速（大于3250r／min）且流量大于1L/min。用猪血为介质所做的液动力测试表明，当转速达到3500r／min～4000r／min时，血泵输出流量达到4L/min～6L/min，输出压力达到100mmHg。该装置重200g，最大处直径为40mm。     

螺旋血泵的CFD分析

溶血和血栓是目前国内心室辅助装置不能应用于临床的主要原因。血泵的不良血液动力学特性是导致溶血和血栓的主要因数。计算流体力学（CFD）方法目前被广泛应用于血泵设计,它可以准确有效地反映血泵内部流场状态、血泵压力流量曲线以及血泵内部流场剪切力分布状态等。本研究采用CFD方法对自制螺旋血泵的泵腔、出入流口进行流场分析,内部流场采用三维彩图显示。结果显示CFD分析结果很好的与体外实验结果吻合。血泵血液动力学特性,以及内部血流状态采用CFD方法分析,可以有效地分析血泵血液相溶性方面的问题。     

螺旋血泵的研制及其实验研究

血液相容性问题是影响心室辅助装置使用寿命及大量临床应用的重要因素之一。减少红细胞破坏和减少血液接触面积是目前可以提高血泵血液相容性的重要手段，为此我们1997年到1999年间研制了叶片为螺旋型且与血液接触面积小的螺旋血泵。血泵由泵体、螺旋叶轮、电机、医用硅橡胶密封圈和轴承等构成。叶轮的最大直径为21．8mm，最小直径是9．8mm，螺旋叶轮椎角41．8度，泵体最大直径30mm，血泵为钛合金材料，体积76ml，总重量220g。体外试验结果显示：1．螺旋血泵的输出是流量4L/min对应的平均压力为100mmHg。2．血泵的表面温度恒定在39℃左右，密封性能良好。3．螺旋血泵的溶血指数NIH为0.085g/100L低于轴流血泵的NIH值0.284g／100L，且未在螺旋叶轮周围未发现任何微小血栓，证实螺旋血泵对血液的破坏明显低于轴流血泵。4．由于密封引起的产热和耗能尚待于改进。     

Ⅱ型叶片轴流血泵的研制及体外流量实验

在自制Ⅰ型离心血泵和借鉴国外同类血泵的基础上 ,我们通过改变泵的整体结构、叶片角度、材料、密封方式和加工手段等 ,又自行设计和加工另一微型轴流血泵 -Ⅱ型血泵 ,它由泵体、直流无刷电机、叶轮、一对磁片、导流槽和支撑架等部件构成 ,总长度 12 5mm ,容积 147ml,材料是TC4钛合金 ,总重量 380g。我们根据不同的压力、流量输出要求 ,设计、加工出五、四、三叶片的叶轮。在模拟试验台 ,我们分别测试此泵的动力学输出、产热和密封性能。结果显示 :(1)五叶片泵在 80 0 0rpm时输出为 6 .8L/min、12 0mmHg ;根据各叶片泵的输出曲线得出 :五、四、三叶片泵的压力和流量均随着转速的升高而升高。 (2 )当前负荷为 0mmHg时 ,五、四、三叶片血泵转速80 0 0rpm流量为 5 .0L/min时 ,所对应的最大的压力约为 170mmHg、16 0mmHg和 130mmHg ,可见在同流量输出情况下 ,随着叶片数的减少压力随之降低。 (3)五、四、三叶片泵的流量、压力输出受前负荷影响较小。 (4 )血泵的效率随着转速的升高而升高。 (5 )在 12 0h的连续运转过程中 ,血泵的表面温度变化较小 ;密封性能也较好。     

五种叶轮血泵体外溶血试验的研究

血泵的标准溶血指数反映了它对血液的破坏程度，是衡量血泵性能的一个重要指标，选用I型离心，II型轴流，磁耦合，I型和II型螺旋混流5种叶轮血泵，用新鲜抗凝羊血500ml，平均压力100mmHg，流量5L／min,在转泵0，0．5，1．0…4．0h后，测量血浆游离血红蛋白含量和血泵出口处的表面温度，计算标准溶血指数。结果表明，5种血泵的转速，温度变化与溶血指数是没有直接关系的，由结构形成的运动流场是对血液造成破坏的主要原因。本文对5种血泵的温度变化，转速和溶血之间的关系做一探讨。     

混流式血泵的数值模拟及性能分析

轴流式血泵转速过高、离心式血泵容易产生流动死区是造成血液损伤的重要原因,而混流式血泵能有效缓解轴流式血泵的转速过高以及离心式血泵的流动死区问题。基于此,本研究旨在探究闭式叶轮混流式血泵的性能效果。通过数值模拟的方法对闭式叶轮混流式血泵进行数值模拟,分析该类型血泵的流场特性及压力分布情况,探讨其水力性能以及可能对红细胞造成的损伤程度,并与半开式叶轮结构混流式血泵的数值模拟结果进行性能对比。结果表明:本研究中的闭式叶轮混流式血泵具有良好的性能,能够安全高效运行。该泵在5 L/min下能够达到100 mm Hg的扬程,血泵内流动均匀,没有明显的涡流、回流以及流动停滞现象,压力分布均匀合理,可有效地避免血栓;溶血指数平均值(HI)为4.99×10^-4,具有良好的血液相容性;与半开式叶轮混流式血泵相比,闭式叶轮混流式血泵扬程和效率更高、溶血指数平均值更小,且具有更好的水力性能及避免血液损伤的能力。通过本文研究结果,或能为闭式叶轮混流式血泵的性能评价提供依据。