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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

磁液悬浮离心血泵体外溶血的实验及耐久性实验

通过建立模拟循环管路系统来研究磁液悬浮离心血泵的溶血性能及机械稳定性。建立体外模拟循环管路系统,体外溶血实验中以新鲜羊血为循环介质,调节前负荷和后负荷分别为15、100 mmHg,血泵转速设定为2 900 rpm,测定血浆游离血红蛋白含量（FHb）和红细胞压积（Hct）,计算血泵标准溶血指数（NIH）;耐久性试验其他各项设定同体外溶血实验,循环介质改为甘油水溶液。在体外溶血实验中,测得磁液悬浮离心血泵NIH值为（0.0038±0.0008）g/100L;耐久性实验中血泵连续正常运转90 d,期间无卡壳、停泵等现象,电压、电流、转速稳定。该血泵溶血性能处于较高水平,机械性能稳定可靠,满足进一步进行动物实验的要求。     

基于计算流体动力学的新型电磁驱动搏动式灌注血泵泵头优化分析

目的应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对电磁驱动搏动式灌注血泵流场进行仿真分析,通过改进泵头结构改善血液在血泵的流动状态,提升其抗溶血性能。方法应用Fluent 17. 0分析泵头结构变化对泵内流场的影响,通过血液流入和流出的4次仿真实验,分析内部液体的流线分布、中轴面上的湍流动能分布、血液流经泵头的压力损失和模型表面受到的切应力。结果在4次实验中,泵头入口与出口管路对称且与对称轴的夹角α=30°时,液体流线无明显紊乱,湍流程度较低;实验1中压力损失最小,为376. 8 Pa;实验1、2中的最大切应力分别为258. 6、302. 8 Pa,符合压力损失和溶血程度等血泵生物力学性能要求。选择α=30°模型为该电磁驱动搏动式灌注血泵的泵头结构,并通过3D打印技术进行制作。结论经过对泵头的优化分析,血泵溶血性能得到改善。研究结果可以运用到新型电磁驱动搏动式灌注血泵的设计与实验中。     

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。     

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.