轴流式血泵水动力特性和生物相容性的数值模拟

为了准确评价自行设计的轴流式血泵的水力性能和生物相容性,将一种黏弹性流体k-ε模型应用于该血泵内紊流流动特性的数值模拟,分析了轴流泵的泵壳与转子间狭缝中以及叶轮流道内的静压和切应力的分布规律,并将溶血指标计算方法与此黏弹性紊流模型结合,计算了黏弹性流体为工质时血泵的溶血指标,并与水为工质时的计算结果进行了对比.结果表明:在相同转速和流量条件下,质量分数为0.06%的黄原胶溶液为工质时的静压压升高于以水为工质时的相应值,质量分数为39%的甘油溶液为工质时静压压升最不明显;甘油溶液的雷诺应力和黏性切应力均高于水和黄原胶溶液的相应值;黏弹性流体为工质时泵的溶血指标比水和甘油溶液的低,且数值处于同一数量级上.该模型能较为准确地预测血泵内黏弹性流体的紊流流动特性,但血泵的结构需进一步优化和改善.     

离心式心脏泵内部流场数值模拟与分析

利用CFD软件对采用一元理论的方法所设计的无回流区和有回流区2种离心式心脏泵进行数值模拟,考察和分析人工心脏泵叶轮内部流场的分布,揭示叶轮内部流动的特殊规律和流动机理.通过数值模拟得到心脏泵流道内的切应力、速度和压力分布云图,分析2种模型对血栓和溶血的影响.结果表明,有回流区离心式心脏泵模型内部流场要比无回流区离心式心脏泵模型内部流场更符合血液动力学的要求,对血细胞的破坏更小,具有更好的抗血栓和溶血性能.     

基于数值模拟的混流式血泵结构改进

轴流式血泵转速过高、离心式血泵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转速过高及流动死区问题。基于此,采用计算流体力学方法对闭式叶轮混流式血泵进行了三维流场仿真,分别探究了不同叶片数和叶片厚度的混流式血泵的性能,分析了血泵流场特性及压力分布情况;基于溶血幂函数模型,通过拉格朗日粒子追踪法进行血泵的溶血性能预测,得到水力性能与溶血性能良好的血泵结构参数。结果表明,当叶片数为5、叶片厚度为0.8 mm时,扬程更接近预期设计目标,能够满足血泵供压需求;溶血指数比原模型降低14.65%,有效降低溶血程度;内部流场均匀稳定,未出现回流、流动死区问题,有效防止血栓产生;叶片进口处低压区域减少,有效缓解空化现象产生。研究结果可为闭式叶轮混流式血泵的结构改进及性能改善提供依据。     

基于CFD螺旋离心式血泵与离心式血泵内部流场的数值分析

利用CFD软件对采用一元理论的方法所设计的螺旋离心式血泵和离心式血泵两种离心式心脏泵进行数值模拟,对比和分析两种离心式血泵内部流动特性,研究血液流经叶轮的速度、压力、切应力等参数的分布,得到相应的云图,分析两种血泵模型对血液的影响.研究结果显示:螺旋离心式血泵可以有效地避免血液在流动过程中产生的涡流、湍流和较高的剪切力.血液在螺旋离心式血泵内部的速度场、压力场及切应力分布都比离心式血泵均匀、合理.     

基于多相流的轴流血泵流场分析及溶血指数预测

为研究血泵内部血细胞分布规律及溶血预测方法,以自制轴流血泵为例,应用多相流分析方法,采用多重参考坐标系法(MRF)等技术建立数值分析模型,并通过体外循环实验验证模型的有效性。进一步分析血泵内部血细胞浓度、速度、压力等的分布规律,得到血细胞破坏区域和一般规律。根据优化的溶血模型对血泵的溶血性能进行评估,在此基础上提出溶血实验指标标准溶血指标(NIH)与溶血预测值之间的转换关系。研究结果表明:血细胞在血泵内部不是均匀分布,叶轮处有明显分离现象;血泵内部剪切应力在200 Pa以下的区域的体积分数约为98.6%,高剪切应力主要位于叶轮顶部和外壳的间隙处;在剪切应力为常数时,优化的溶血预测模型和Giersiepen实验得到的溶血模型相符合;采用优化模型计算得到血泵平均溶血预测值0.005 7,具有较好的溶血性能。     

单流道泵内部流动研究方法探讨

该文将单流道泵叶轮和涡壳作为一个整体，利用势流理论计算了单流道泵内部流动，对流场进行初步分析，得到了叶轮转至不同角度时水对叶轮的径向力以及水功率．同时，作者还利用湍流模型对单流道泵内三维湍流流动进行了数值模拟，并通过两种方法的结果比较和与实验对比以及对应用前景分析等验证了研究方法的实用性．     

深海采矿提升泵的数值模拟分析

针对深海底矿物粗颗粒浆体在提升泵内的流动问题，提出了一种新型粗颗粒-均质浆体两相流动模型．采用流体动力学软件CFX对两级提升泵内的粗颗粒固-液两相湍流进行了数值模拟.计算获得了粗颗粒在提升泵内的流动特征及其泵工作特性的仿真结果，并与两级提升泵的性能试验结果进行对比，两者能较好地吻合，从而验证了该两相流动模型和数值模拟的有效性和准确性.     

离心泵水动力噪声预测

利用计算流体动力学(CFD)方法对离心泵内的三维流动进行数值模拟,基于CFD结果分析流场的非定常特性,并从非定常计算中提取偶极子声源信息,再应用边界元计算方法,对比分析是否考虑结构振动两种情况下边界上的响应情况,结果表明:考虑振动时的声场分布更加合理,进而在声振耦合计算的基础上,求解泵内偶极子噪声的辐射水平.     

基于重整化群湍流模型的双向轴流泵出水结构研究

双向轴流泵装置是一种特殊的泵站形式．结合某泵站技术改造，运用三维湍流数值模拟技术对其出水结构进行研究．基于定常不可压流体的控制方程和重整化群湍流模型，应用SIMPLEC算法，数值模拟了X型双向流道泵装置三种出水结构方案内三维湍流流场．通过给出计算流速矢量分布图、流速等值线图，直观地显示了出水结构内水流流场情况．分析表明，设计控制参数不合理是导致出水结构内部流态较差的主要原因，不良流态引起水力损失增加．文中依据数值模拟结果，预测出水结构水力损失，并与实验进行了比较，表明通过采用重整化群湍流模型能较好地预测双向泵出水结构的水力性能．重整化群湍流模型在泵装置内特性数值模拟和外特性预测研究方面中有较好的推广价值．     

卫生型泵内部流道流场分析

针对广东日新泵业两台不同参数卫生泵的实测结果，对叶轮内部三维不可压湍流流动进行了数值模拟．通过商用软件Fluent 5．0对两台泵的叶轮进行数值计算，计算过程采用标准k-ε湍流模型及SIMPLEC算法．通过对两台泵流动状况的研究与分析，揭示了叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布情况，指出了两台泵叶轮结构的合理性，并提出了第二台泵叶轮的修改方案，同时对泵的水力性能进行了预测，从而为卫生型泵的优化设计奠定了基础．     

Computational fluid dynamics modeling and hemolysis analysis of axial blood pumps with various impeller structures

The flow fields in the blood pump were analyzed three-dimensionally using computational fluid dynamics (CFD). Hemolysis of the pump was calculated based on the changes in shear stress and related exposure times along the particle trace lines using a forward Euler approach. In this way, how different impeller structures and rotational speeds affect the hemolysis was particularly acquired. As a result, impeller with long-short alternant vanes behaved best in hemolysis property and can be utilized to axial blood pumps’ development and design.     

基于血液剪切损伤机理的高速螺旋血泵仿真分析

 高速螺旋血泵内部流场形态产生的高剪切力是导致血液溶血的重要因素,因此,对高速螺旋血泵中血液的流体动力分析有助于血泵性能的优化及减少血液细胞的损伤。采用水力旋流场理论对高速螺旋流场内血液剪切损伤机理进行了研究,得出了红细胞剪切破碎的判定依据,并结合所设计的植入式螺旋血泵,应用多相悬浮体CFD仿真技术,对血泵中的剪切应力场进行了仿真分析。研究结果表明：所设计的高速螺旋血泵中,剪切应力的分布能够满足血液生理要求。     

Prediction of shear stress-related hemolysis in centrifugal blood pumps by computational fluid dynamics

A quantitative evaluation of shear stress-related hemolysis in centrifugal blood pumps with different impeller designs has been investigated. Computational fluid dynamics (CFD) is applied to track the shear stress history of the streamlines of red cells. The power law model of the relations among the hemolysis, shear stress and exposure time is used to evaluate the hemolysis in the pumps. Hemolysis tests are also conducted to verify the estimations. Both the estimations and experimentally measured hemolysis levels show that the hemolysis in the streamlined impeller pump developed by the authors is lower than the pump with straight-vane under the same boundary conditions. The approach is proved to be acceptable and practical to predict hemolysis levels of blood pumps.     

基于CFD的轴流血泵内部流场的数值分析

运用计算流体动力学（CFD）对轴流血泵的流体动力学特性进行分析,研究血液流经叶轮的速度、压力、剪切变形率等参数的分布以及螺旋叶片对血液的破坏作用。结果表明：血液在叶轮内的流动是一种非常复杂的三维流动,而基于流线型的叶轮设计可以避免血液在流动过程中产生湍流、涡流以及较高的剪切力。血液流经血泵的速度场、压力场及剪切变形率的分布都比较均匀,变化梯度小,从而有效的减少血液破坏。     

离心式血液泵水力性能的实验及数值模拟

为研究血液泵中的流动与水力性能和生理相容性的内在联系,在闭式血液泵实验台上,通过调节电机转速和控制流量的方式对一种径向离心式血液泵进行了外特性实验研究。为了与实验对比,对该泵进行了全流道三维定常湍流数值模拟。根据实验结果及流动分析得知:血液泵在流量5 L.min-1时扬程大于1 m,通过调整电机转速可以得到宽广的运行范围;血液泵运行在较低转速时流动的Reynolds数效应不可忽略;叶片吸力面出口附近壁面剪切应力较大,是造成血液损伤的危险区域。     

基于外磁场耦合的血泵驱动系统

基于横向旋转磁场的耦合原理,提出轴流式血泵外磁场驱动系统方案,设计一种泵机分离的结构。采用等效电流法建立了永磁体等效物理模型,计算血泵驱动系统的主动轮和从动轮之间的距离、相对转角以及磁极对数对血泵传动扭矩的影响。研究结果表明：在生理范围内,即主动轮与从动轮的安装距离小于60mm,设计的永磁体输出的扭矩大于血泵需要的扭矩（6.4N-mm）,能够满足血泵的驱动要求。主动轮与从动轮的磁极对数是影响血泵系统性能的关键参数,主动轮与从动轮磁极对数越少,传动扭矩越大,但是扭矩波动也大;主动轮的磁极对数大于从动轮的磁极对数,驱动系统传动平稳,对控制有利。     

新型混合径向磁轴承结构及其磁力特性

针对当前永磁偏置径向磁轴承的永磁磁路的磁通密度低,磁力小,缺乏自稳定的问题,提出一种应用于立式轴流泵的新型混合径向磁轴承结构.应用分子电流法及虚位移定理建立新型混合径向磁轴承承载力的非线性模型及其线性化方程,分析得出新型径向混合磁悬浮轴承在径向某个自由度上具有自稳定的特点,且永磁轴承可以减小系统总的位移负刚度.研究结果表明,采用Halbach阵列结构后,混合磁轴承气隙的磁通密得到很大提高.电流刚度和位移刚度与平衡点的初始电流及初始间隙密切相关,在平衡位置附近电流刚度和位移刚度呈线性变化,当气隙增大时仍保持较好的线性度,而当气隙减小时呈现一定的非线性特性.     

A novel permanent magnetic bearing and its anti-wear effect in impeller total artificial heart

A novel permanent magnetic bearing has been developed, which consists of two magnetic rings with differenl dimensions in the same direction of axial magnetization, located concentrically. Because of the effect of magnetic field, the magnetic rings keep a distance axially from each other. If the distance between the two rings changes, a rehabilitalion force is produced to return to the original po-sition. When this distance decreases, a repeiling force will be generated; its component in axial direction can be used as a magnetic spring and its radial component can function as a bearing. With this novel permanent magnetic bearing, an impeller totai artificial beart (TAH) is designed, manufactured and tested. The rotation is driven radially. On the left and right sides of the rotor magnets, two small magnetic rings are fixed onto the rotor, coupling with two big magnetic rings on both sides of the motor coil, to form the magnetic bearings. Hereby the bearings are used for wear reduction rather than rotor l     

耐久性及永久性叶轮血泵研究的新进展

为了提高血泵的使用寿命 ,笔者首先研制出一种具有滚动轴承和洗刷系统的耐久性血泵 ,这种滚动轴承采用耐磨性极好的超高分子量聚乙烯材料做滚子 ,能使血泵工作数年以上 ,而洗刷系统通过输液能使轴承一直在生理盐水和肝素中工作 ,也就不会生成血栓 在此设计基础上 ,作者发展了叶轮转子能够作轴向颤动的耐久性血泵 ,转子的轴向颤动使新鲜的血液在血泵的每个搏动周期进出轴承并洗刷转子 ,轴承内也就不会生成血栓 ,同时也避免了生理盐水注射的不便 ,提高了受体的舒适度和生活品质 最后 ,笔者在永磁磁浮叶轮血泵的研制方面取得了突破 ,血泵转子在永磁磁力和非磁力共同作用下 ,能够悬浮在血液中工作 ,无需位置测量和反馈控制 这种可植入的 ,能产生搏动流并具有良好血液相容性的耐久性叶轮血泵将比以往各种血泵具有更好的应用前途 ,可望在将来取代心脏移植