XZ-ⅡA型轴流血泵的研制及体外流体实验

在自制XA-Ⅱ型轴流血泵的基础上,结合计算机辅助设计(computer-aided design,CAD)以及计算机流场分析(computational fluid dynamics,CFD),通过改变泵的结构、叶片螺距、密封方式、材料加工手段自行研制和加工出一款微型轴流血泵XA-ⅡA型血泵.它由泵体、直流无刷电机、钛合金叶轮、陶瓷轴承等部件构成,材料TC4钛合金,总重量245g.在体外流量实验中,分别测量血泵的动力学输出、流量输出要求、产热以及密封性能.结果显示XA-ⅡA型血泵能够满足设计的要求,在120h连续运转过程中,血泵表面温度变化较小,而且密封性能很好.     

Ⅱ型轴流血泵的溶血试验研究

0 引言 左心辅助装置的主体-血泵的发展已有40年的历史.     

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.     

流道型轴流血泵支承结构设计与分析

目的:为了改善电磁轴承结构复杂、体积偏大,液力轴承承载力小、不能在较大负载下工作的弊端,提出一种流道型磁液悬浮轴流血泵,提高血泵承载能力。方法:流道型轴流血泵轴向采用永磁力进行支承,径向采用转子叶轮的流道结构产生的液力悬浮;利用Ansys对轴向瞬态磁场进行仿真,对磁力变化进行研究,利用Fluent对不同开槽方向、角度、深度的径向液力进行仿真,对液力变化进行研究。结果:根据轴向磁力随位移的变化,得出磁力最大为2.9 N,楔形开槽结构倾斜角为28°,开槽数为5,槽深0.36 mm,叶顶间隙为0.40 mm,性能达到最优,能满足人体使用。结论:流道型轴流血泵相对于普通磁液悬浮血泵有更高的承载力,较好的悬浮性能,为轴流血泵的优化研究提供了新的思路。     

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。     

微型轴流血泵后导叶对流场的影响研究

基于CFD技术和激光多普勒测速、高速CCD等流场测试手段,研究了几种典型工况下微型轴流血泵内部及其出口的流场.揭示了导叶内部回流、漩涡,以及出口流动滞止区、二次流等流动细节;实验对比了两种不同结构后导叶的出口流场,发现导叶A的出口流场二维流动明显,符合血泵流场的需要,此研究为进一步开展血泵后导叶的优化设计提供了依据.     

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。     

流道型轴流血泵流体仿真与水力实验分析

为了研究血泵的水力性能,以课题组自制的流道型轴流血泵作为对象,通过计算流体动力学方法,建立血泵流体动力学分析模型,研究血泵叶轮的各个结构参数对血泵水力性能的影响,分别进行不同叶片数、轮毂比、叶型安装角、流道宽度、进出口轴径比参数下的血泵水力性能仿真计算与分析。此外,通过对比分析水力性能和流线图,研究前后导叶对血泵水力性能的影响。采用钛合金材料制作血泵实体,通过模拟人体血液循环回路形式搭建血泵水力试验台,流体介质采用纯净水和甘油混合配制而成的实验液体。在不同转速条件下,对血泵实际水力性能进行测试。水力实验结果表明,该流道型轴流血泵具有较好的水力性能,与计算流体动力学水力性能仿真结果能够较好地吻合,证明血泵性能可以初步满足人体生理需求。     

一种可植入式磁悬浮离心血泵的流场分析

目的 设计和研发满足心室辅助要求的植入式磁悬浮离心血泵.方法 应用计算机辅助设计(CAD)一种磁悬浮式的离心血泵,应用计算机流体力学方法对新型血泵的流场进行分析.结果 ①在血泵流道内血液流动无滞留区域.②叶轮底端血液由外向内进入中心悬浮装置下端,并经过中心悬浮装置与叶轮之间的空隙回流入叶轮中心.③叶轮上端血液回流入叶轮中心,并与流入道的血液汇合,重新流入凹槽内.结论 血液在血泵流道充分流动无滞留部位.叶轮上下端有部分血液回流可以使血泵工作效率降低,但回流的血液具有防止血栓形成、协助叶轮悬浮、防止局部过热的作用.血泵入口叶轮衔接部位及血泵出口衔接部位为潜在涡流区域.     

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.     

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。     

联合PU—80E和成科大Ⅱ型嵌段聚醚聚氨酯脲的血液相容性研究

本文是研究国内研制的两种新嵌段聚醚聚氨酯(SPEU)材料(联合PU-80E和成科大Ⅱ型)的血液相容性。     

具有分流和悬臂叶片尾导的轴流血泵设计分析

根据中国终末期心衰患者对左心辅助泵辅助人体血液循环的要求,设计以3 L/min流量、100 mm Hg压升为设计点,流量范围为2～7 L/min的微型可植入轴流血泵。该血泵采用纺锤形的转子叶轮结构以及带分流叶片、悬臂叶片的尾导结构,以使血泵在较宽的压力流量范围内具有良好的溶血和抗血栓特性。本文用数值模拟及粒子成像测速(PIV)的方法分析血泵的水力学特性、流场及溶血特性。结果表明:血泵转速为7 000～11 000 r/min时,在2～7 L/min的流量范围内可提供60.0～151.3 mm Hg的压升;分流叶片抑制了尾导的尾缘吸力面处的流动分离;悬臂式叶片结构将转子叶片的叶尖间隙变为尾导叶片的叶根间隙,间隙的切线速度由6.2 m/s降至4.3～1.1 m/s;血泵的最大标量剪切应力值为897.3 Pa,平均剪切应力值为37.7 Pa;采用Heuser溶血模型得到的溶血指数为0.168%;PIV试验所得泵内尾导区域的流场速度分布与数值计算得到的流场特征吻合良好。本研究所设计的轴流血泵的尾导具有分流叶片和悬臂叶片,流道内血流无较大分离流动,降低了剪切力对血液的破坏,溶血性能良好,压力流量性能满足临床需要。     

轴流血泵对心衰动物的辅助试验研究

选择 2 0只雄性健康成年绵羊 ,采用结扎冠脉方法建立心衰模型后 ,随机分为两组 ;心衰后实验组运用自制轴流血泵进行左心辅助 ,分别在结扎冠脉前、心衰后和左心辅助 1h测量两组动物各项血液动力学参数 ,探讨血泵的动力学输出和对衰竭心脏的辅助功能 ,并取标本进行光、电镜检查。通过测试实验组血液的FHB、Fib和主要器官的栓塞情况 ,观察血泵对血液的破坏程度。结果得出 :(1)选择性结扎冠脉比较适合作为LVAD的左心衰动物模型。 (2 )血泵的压力、流量输出能够达到辅助要求 ,血泵辅助流量可占总流量的 10 0 %。 (3)并联于左心房和腹主动脉的血泵是通过部分分流和提高主动脉舒张压方式促进心肌的恢复 ;病理检查结果与血液动力学结果推测一致。 (4 )实验组短期在体试验辅助 2 4h ,标准溶血指数NIH为 0 .0 8g/ 10 0L ,试验结束肾脏有散在白色斑块 ,血泵的进、出口与管道接口处覆盖一层薄薄白膜 ;血泵表面温度变化较小。     

介入式微型轴流血泵溶血机理及影响因素分析

溶血性能是判别血泵是否可靠的重要评价因素之一,也是血泵研发过程中的一大难题。本文基于介入式微型轴流血泵的结构特点对其溶血发生机理和关键影响因素进行探究和综述。首先,介绍介入式微型轴流血泵的结构特点:体积小、转速高、叶轮轮缘与泵壳间隙小。然后从剪力溶血和空化溶血两个方面对溶血发生机理进行阐述。最后重点分析导致介入式微型轴流血泵机械溶血的主要力学因素,即剪力和负压。泵内剪力过大或作用时间过长会导致红细胞受损而发生溶血,而负压可能引起血泵空化从而对血液造成损伤。总之,血泵结构设计不当会导致血液在机械运动和湍流运动过程中受到高剪切应力和局部负压的作用产生溶血,所以在设计阶段应全面考虑各因素对血泵溶血的影响。     

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。     

轴流血泵电机温度场分析及其对血液和组织的损伤

目的:通过对轴流式血泵电机进行温度场仿真分析,得到其对血液和组织的损伤情况,并探讨降低血液和组织温升的策略。方法:利用ANSYS对电机进行瞬态温度场仿真,利用FLUENT建立血液动态温度场模型,对血液和组织的温度变化进行研究。结果:根据电机运转稳定时的温度分布云图,可知定子绕组和定子铁芯的发热温度较高;通过分析下泵壳和上泵壳的温度场,得到血液和组织的温升情况;根据血液动态温度场模型,得到血液在流动过程中的温度变化规律。结论:可以通过改变电流大小来降低血液和组织的温升,当电流值为0.9 A以下时,温升对血液和组织不造成损伤。此分析结果可为临床应用和血泵优化提供理论基础。     

基于逆向工程的人体气道重建及其流场分析

目的 针对老年人气管萎缩导致整体气道尺寸变小的情况,研究狭窄气道重建及不同呼吸状态下空气流场对气道的影响。方法 运用Mimics建立人体气道的三维模型,利用计算流体动力学方法对气道内的流场进行仿真,分析并比较不同呼吸状态下气管内壁压强及其气流的分布状态。结果 在不同呼吸状态下,气管内壁压强数值在主气管内壁相对均匀,但在支气管狭窄段的气流入口处出现明显下降,在最狭窄的区域附近达到负压。气流速度从气管管道中心向边界层递减,流速在狭窄处达到最大值。气流穿过狭窄区域后产生涡流,且入口流速越大,正压和负压压强越大,狭窄处压降越明显,涡流现象越明显。结论 气道狭窄区域因负压造成继续收缩,会导致病人呼吸困难,而涡流会使气管壁受到气动剪切应力的影响可能损伤气道壁黏膜。因此,了解萎缩狭窄气道内的压强分布及流速分布情况,可为此类病变气道的临床诊治提供参考依据。     

微型轴流式血泵叶轮的结构优化设计和流场有限元计算分析

微型轴流式血泵被广泛运用于短期心脏循环辅助,其重要指标是转速、扬程、流量和流场分布.采用计算流体力学方法对血泵流场进行了数值模拟,得到血泵的扬程和流场分布,验证得出:传统升力法不能满足要求.为此提出了两种新型的轴流血泵DAVa和DAVb,叶轮数4,外径18mm,内径6.3mm,长度21mm,从轮毂到轮缘径向5个均匀分布的截面分别采用NACA10-NACA6翼型,相邻切面的安装角差为内切面翼型安装角的1/3和1/2.流体计算结果:随着轮毂处安装角从50°增加到80°,DAVb的扬程均大于DAVa,DAVb扬程平缓增加,DAVa则在80°处有一个突增;DAVa的脱流和湍流、径向流都明显小于DAVb.由此得出,轴流泵的扬程和叶轮安装角成正比关系,采用较为合适的叶轮扭转度有利于减小湍流、尾流和径向流等不稳定流场损耗现象.     

一种轴流血泵的磁液双悬浮支承系统

【摘 要】 目的:为解决第三代血泵中磁力和液力悬浮系统体积偏大、发热多、水力性能差、血损严重等问题,提出一种磁液双悬浮支承系统。 方法:磁液双悬浮支承系统轴向靠磁力、径向靠径向液力共同实现转子的稳定悬浮;分别利用ANSYS电磁模块和楔形动压承载原理对轴向磁力、径向液力进行分析,利用Fluent对磁液双悬轴流血泵的水力性能进行仿真分析。 结果:对悬浮系统轴向、径向承载力的分析以及悬浮实验结果表明该系统可以实现稳定的悬浮;Fluent仿真及水力实验表明当血泵转子转速为9 500 r/min以上时,能满足人体需要。 结论:磁液双悬浮支承系统具有较好的悬浮性、水力性能,可作为第三代血泵进一步改进的选择方向。