基于快速溶血预估模型的离心血泵叶轮特性数值分析

离心血泵叶轮形态是决定其内部流场剪切应力致血液细胞损伤的重要因素之一。对具有不同叶轮形态的离心血泵进行流体动力分析及数值溶血预估有助于提高血泵的综合性能。本文采用低雷诺数修正SSTκ-ω湍流模型,对四种不同叶轮形态的离心血泵内部流场进行计算,包括压力场、速度场以及剪切应力场分布等;并运用快速溶血预估模型计算各血泵的标准溶血参数值(NIH)。分析结果表明,虽然四种血泵的压力场分布均符合要求,但对数螺旋线叶轮血泵流道中的涡流和回流得到了明显改善,高剪切应力区域体积只占总体积的0.004%,NIH为0.0089,对血液细胞破坏最小。     

应用CFD研究叶轮设计对人工心脏泵内流场的影响

溶血是叶轮血泵常见的一种血液破坏现象，而造成这种现象的内在原因是血液的动力学行为。本研究针对基于流线型设计的叶轮血泵和一种直叶片血泵，应用CFD对其内部流场进行了数值模拟，并通过溶血实验对结果进行了验证。研究结果表明，流线型叶轮血泵内的流动模式符合流线型设计理论，与直叶片叶轮血泵相比，它的溶血较小，更符合血液动力学要求。可以认为，在相同的边界条件下，流线型叶轮血泵具有更好的血液相容性，不容易造成血液破坏。     

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。     

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.     

应用CFD对人工血泵流场进行数值仿真

发展人工心脏以便在某些情况下代替心脏进行供血已成为医学界的普遍要求。血泵研制和改进中所面临的主要难点之一是血液在血泵中的流动分离等复杂流动情况 ,对人工血泵中血液的流体动力分析是发展先进人工血泵的前提。本文应用计算机求解三维Navier Stokes方程 ,对某型血泵叶片通道间内部流场进行了数值仿真。研究分析结果表明 ,血泵中流体具有非常复杂的流动情况。为避免流动中分离造成流体升压比下降和血细胞破坏 ,对通道的进口和小叶片的安放位置以及叶片高度的变化都提出了很高的要求。充分应用计算流体力学的发展来推动人工血泵的研究具有非常广阔的前景     

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。     

叶片倒角对FDA标准血泵流场和溶血预测的影响

目的采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法研究FDA标准离心血泵叶片倒角对流场和溶血的影响。方法针对FDA标准离心泵,模拟3个工况下水力学性能、流场形态、溶血指数等血泵关键性能,并进一步比较叶片结构有、无倒角时对前述模拟结果造成的影响。结果血泵叶轮倒角对血泵压头(无倒角特征与有倒角特征压头计算值最大百分比差异为57.38%)、流场等均有影响,从而导致溶血预测值也有显著差别(两者最大误差超过1个数量级)。结论对叶轮进行有倒角处理有助于优化血泵的性能。研究结果对更好使用CFD辅助血泵的血液相容性设计具有重要意义。     

计算流体动力学在叶轮式心脏泵中的应用研究

造成溶血、血栓等血液破坏现象的内在原因之一是血液的动力学行为。研究表明，不规则的流动模式尤其是切变流中产生的机械切应力直接导致血液的破坏。计算机技术的迅速发展使得微观动力学的数值模拟成为可能。本文针对基于流线型设计的叶轮心脏泵和直叶片叶轮心脏泵，应用计算流体动力学对其内部的流动行为进行了数值模拟。分析两种心脏泵的内流场和切应力分布，认为在相同的边界条件下，流线型设计的叶轮心脏泵要比直叶片心脏泵更符合血液动力学的要求，对血液的破坏较小。     

高速螺旋流场中人体血液流动性能及红细胞力学行为分析

血泵的溶血程度主要受血液的运动流场影响,所以研究血液在血泵内腔的螺旋流动特性对于螺旋叶片血泵的设计和研究工作具有十分重要的意义。本文将血液流变理论和传统的力学分析方法相结合,对血液在低、高剪切变率两种条件下的环形空间螺旋流动性能进行了研究,给出了速度表达式,分析了各参数对流动性能的影响,同时还对高速螺旋流场中红细胞的力学行为进行了分析。结果表明,高速螺旋流场中的血液流动情况十分复杂,在进行高速螺旋血泵设计时,应综合考虑血液在不同剪切变率条件下的流动性能及红细胞的力学行为。     

基于CFD的离心式人工心脏泵的溶血预测方法

溶血的定量评价对于人工心脏泵的设计和研究十分重要.本研究应用CFD（computational fluid dynamics）技术,针对两种叶轮设计的离心血泵进行了数值模拟,计算得到了其内部的流线分布.根据溶血、切应力和暴露时间三者之间的幂函数模型,对血泵的溶血进行了预测.最后,用溶血实验结果进行了验证.结果表明,在相同的边界条件下,流线型叶轮泵内的溶血值要小于直叶片叶轮泵,与溶血实验结果一致.可见,应用CFD实现溶血的定量计算是可行的,溶血、切应力和暴露时间之间的幂函数模型能较好地反映血泵的溶血性能.     

基于CFD的液悬浮人工心脏泵叶轮入口优化分析

目的应用计算流体动力学方法(computational fluid dynamics,CFD)对离心式双向液力悬浮人工心脏血泵流场进行仿真分析,通过改进叶轮入口结构来改善血液在血泵的流动状态,从而提升其抗溶血性能。方法从影响血泵溶血性能的角度考虑,基于N-S方程和k-ε标准双方程湍流模型,应用软件FLUENT6.3对离心式人工心脏血泵流场进行数值模拟,分析在设计工况下,叶轮入口处的结构变化对泵内流场的影响,以及流场中最大速度与溶血水平之间的关系,并根据流场分析结果对血泵叶轮入口进行优化。结果经过优化,血泵内流场紊乱现象得到改善,影响溶血值的切应力和曝光时间均有所降低,溶血性能得到改善。同时,对于离心式双向液力悬浮血泵,在设计工况下,其流场中最大速度有作为流场优化过程中的直观指标参数的潜力。结论该研究的仿真分析可为离心式双向液力悬浮人工心脏的设计积累一定经验。     

人工心脏圆盘泵的流动特性研究

人工心脏（血泵）一直存在泵体对血细胞剪切力过大和流速过快容易引起溶血的问题。为了研究人体正常血压情况下,血泵内部剪切力和速度场的分布情况,选择圆盘泵叶轮代替传统离心泵叶轮,对两种模型进行数值计算,分析不同叶轮内部剪切力和速度场的分布规律。研究表明传统离心泵内部流速高,叶片表面剪切力大,对血细胞的伤害大。圆盘泵相比传统离心泵,剪切力更小,流场速度分布均匀,流速更小。和传统离心泵相比,不同转速下圆盘泵能降低溶血的发生率。圆盘泵叶片数为6片时,抗溶血性能更好。研究结果为血泵的优化提供理论依据。     

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。     

The helical flow pump with a hydrodynamic levitation impeller

The helical flow pump (HFP) is a novel rotary blood pump invented for developing a total artificial heart (TAH). The HFP with a hydrodynamic levitation impeller, which consists of a multi-vane impeller involving rotor magnets, stator coils at the core position, and double helical-volute pump housing, was developed. Between the stator and impeller, a hydrodynamic bearing is formed. Since the helical volutes are formed at both sides of the impeller, blood flows with a helical flow pattern inside the pump. The developed HFP showed maximum output of 19?l/min against 100?mmHg of pressure head and 11?% maximum efficiency. The profile of the H?CQ (pressure head vs. flow) curve was similar to that of the undulation pump. Hydrodynamic levitation of the impeller was possible with higher than 1,000?rpm rotation speed. The normalized index of the hemolysis ratio of the HFP to centrifugal pump (BPX-80) was from 2.61 to 8.07 depending on the design of the bearing. The HFP was implanted in two goats with a left ventricular bypass method. After surgery, hemolysis occurred in both goats. The hemolysis ceased on postoperative days?14 and 9, respectively. In the first experiment, no thrombus was found in the pump after 203?days of pumping. In the second experiment, a white thrombus was found in the pump after 23?days of pumping. While further research and development are necessary, we are expecting to develop an excellent TAH with the HFP.     

Experimental and computational studies of the relative flow field in a centrifugal blood pump

The relative flow field within the impeller passage of a centrifugal blood pump had been examined using flow visualization technique and computational fluid dynamics. It was found that for a seven-blade radial impeller design, the required flow rate and static pressure rise across the pump could be achieved but the flow field within the blades was highly undesirable. Two vortices were observed near the suction side and these could lead to thrombus formation. Preliminary results presented in this article are part of our overall effort to minimize undesirable flow patterns such flow separation and high shear stress regions within the centrifugal blood pump. This will facilitate the future progress in developing a long-term clinically effective blood pump.     

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。     

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。     

Design optimization of an axial blood pump with computational fluid dynamics

A fully implantable, axial flow blood pump has been developed in our hospital. Both in vitro and in vivo tests showed that the hemolysis and thrombus characteristics of the pump were in an acceptable but not in an ideal range. Computational fluid dynamics (CFD) and in vitro test results showed that the pump worked at off-design point with a low hydraulic efficiency; CFD analysis also showed regions of reverse flow in the diffuser, which not only decreases the pump's hydrodynamic efficiency, but also increases its overall potential for blood trauma and thrombosis. To make a blood pump atraumatic and nonthrombogenic, several methods were taken to reach a final model of the optimized blood pump using CFD, which decreased the rotational speed from 9,000 to 8,000 rpm, and the design flow rate from 11 to 6 L/min. More significantly, the flow separation and recirculation in the diffuser region were eliminated, which mitigated the traumatic and thrombus effect on blood. The acceptable results of the numerical simulations encourage additional in vitro and in vivo studies.