人体血液环形空间螺旋流动研究

在低剪变率条件下人体血液表现为卡森流体,在高剪变率条件下则趋向于牛顿流体。近年,螺旋叶片血泵的研究和应用取得了很大的进展。此研究运用流体力学,对血液在低剪变率及高剪变率两种不同条件下的环形空间螺旋流动性能进行了研究,并推导出速度及流量表达式,分析了各参数对流动性能的影响。     

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。     

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。     

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。     

应用计算流体动力学方法研究人工心脏流场

目的探讨计算流体动力学（CFD）方法在人工心脏设计中的应用。方法应用CFD Fluent6．1软件模拟不同状态下自制螺旋和轴流2种叶轮血泵泵腔、出人流口的流场状态．内部流场采用三维彩图显示。结果得到2种血泵在不同转速下压力流量情况和内部流场及剪切应力分布状态。结论模拟计算结果与体外实验结果对照显示CFD分析结果很好地提示血泵实际工作状态。CFD方法可以有效地提示设计血泵的血液相容性能，是血泵研制的可靠手段。     

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.     

基于CFD技术的Sarns离心式血泵流动特性分析

目的应用专业计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）分析软件FLUENT,对一种具有长短叶片的Sarns离心式血泵的内部流场进行三维数值模拟。方法利用Solidworks软件对Sams型血泵进行三维建模,然后对所建模型网格处理,通过选取标准,κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,具体分析了内部流动状态、压力分布、壁面剪切力等流场特性。结果结果表明,该离心泵内部流场分布较不匀,叶片及血泵出口处有回流和旋涡现象,剪切力大小基本处于致红细胞破碎的临界状态之下,高转速下剪切力最大,主要分布在叶轮区域,但暴露时间极短,基本满足血液生理要求。结论该研究为Sarns血泵的进一步优化提供了理论基础。     

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     

离心血泵内部流场数字模拟及溶血分析

血泵是心脏辅助循环装置的核心部件之一,其运行过程中所产生的血栓和溶血超出安全范围将会引发多种并发症,严重者甚至危及病人生命,因此血栓和溶血问题是衡量血泵性能的重要指标也是血泵的重要研究课题。研究表明,溶血主要是由血泵内叶轮的机械运动及血液的复杂流动的高剪切力引起。因此溶血多出现在血液与固壁接触面上及复杂流动的流体问。本次研究的目的是要探索用数值模拟的方法分析离心血泵内部的流场及溶血情况,在研究中通过与上海某医院合作实验采集一种叶片式离心血泵运行过程中的实验数据,再对该叶片式离心血泵内部流场进行数值模拟,通过对比血泵实际运行情况与数值计算结果对其内部血栓和溶血问题进行系统的分析研究,最终数值模拟分析的情况与该血泵在实际运行中的血栓和溶血情况基本相符。通过本次研究探索用数值模拟的方法对血泵的血栓和溶血现象进行分析,特别是对溶血现象进行一定程度的定量分析,此分析结果及分析方法可为血泵优化及临床应用做方法指导之用。     

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。     

轴流式血泵溶血数学模型的探究

溶血的定量评价对于血泵的设计和研究十分重要,而建立血泵溶血的数学模型,对于血泵溶血的预测,提高其血液相容性具有十分重要作用.本文在分析与血泵溶血相关因素的基础上,首先从能量守恒定律确定轴流式血泵叶轮驱动力的输出功可分两部分提供给血液：用于提高血液压力的能量以及用作血液溶血的能量.然后采用动力系统转矩方程和能量方程,建立血泵辅助循环溶血模型.最终建立了能够定量评价血泵在不同工作状态下（正常状态和抽吸状态）溶血程度的数学公式.本文对轴流式血泵的溶血问题提供了新的研究思路,将对血泵及其控制系统的改进提供重要的依据.     

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。     

Models of Flow-Induced Loading on Blood Cells in Laminar and Turbulent Flow,with Application to Cardiovascular Device Flow

Viscous shear stress and Reynolds stress are often used to predict hemolysis and thrombosis due to flow-induced stress on blood elements in cardiovascular devices. These macroscopic stresses are distinct from the true stress on an individual cell, which is determined by the local microscale flow field. In this paper the flow-induced stress on blood cells is calculated for laminar and turbulent flow, using simplified models for cells and for turbulent eddies. The model is applied to estimate shear stress on red blood cells in flow through a prosthetic heart valve, using the energy spectral density measured by Liu et al. [J. Biomech. Eng. 122:118–124, 2000]. Results show that in laminar flow, the maximum stress on a cell is approximately equal to the macroscopic viscous shear stress. In turbulent flow through a prosthetic heart valve, the estimated root mean square of flow-induced stress on a cell is at least an order of magnitude less than the Reynolds stress. The results support the hypothesis that smaller turbulent eddies cause higher stress on cells. However, the stress due to an eddy depends on the velocity scale of the eddy as well as its length scale. For the heart valve flow investigated, turbulence contributes to flow-induced stress on cells almost equally across a broad range of the frequency spectrum. The model suggests that Reynolds stress alone is not an adequate predictor of cell damage in turbulent flow, and highlights the importance of the energy spectral density.     

Numerical analysis of the flow characteristics of rotary blood pump

Thrombus formation and hemolysis have been linked to the dynamics of blood flow in rotary blood pumps and ventricular assist devices. Hemolysis occurs as the blood passes through the pump housing, and thrombi develop in stagnation and low-velocity regions. The predicted velocities, pressure, and turbulence quantities from the numerical simulation are used to identify regions of high shear stress and internal recirculation. A nimerical technique is described that simulates the hydrodynamic characteristics of a rotary blood pump with a flow rate of 6 l/min at a rotational speed of 3000 RPM. A computational fluid dynamics (CFD) code, CFX 4, is used to solve the time-dependent incompressible Navier-Stokes equations using a transient finite volume method and three-dimensional structured grids. The simulation utilized the sliding mesh capabilities of this numerical code to model the rotating impeller and examine the effect of blade shape on the hydrodynamic performance of the blood pump in terms of pressure rise, flow rates, and energy losses. The first impeller model has six straight channels; the second impeller has six backward-curved channels. The results for two impeller configurations are presented and discussed. The curvedpump design resulted in higher pressure rise and maximum shear stresses than the straight-channel one. In general the paper demonstrates that CFD is an essential numerical tool for optimizing pump performance with the aim of reducing trauma to the blood cells.