轴流式血泵内部流场和生物相容性的数值分析

设计了一种新型磁悬浮轴流血泵，使用圆锥型磁轴承以避免由动静部件接触摩擦引起的血栓问题，其结构小巧紧凑并利于磁悬浮的实现．利用数值方法对血泵内的流场进行了模拟，加装出口导叶以改善血泵内部流场，得到了血泵的水力性能曲线及泵内压强、壁面切应力的分布．验证了转子和泵壳间的狭缝中存在与主流方向相反的逆向稳定冲刷流动，避免了狭缝内流动停滞，减少了血栓形成几率．给出了一种利用数值方法计算溶血指标的方法，并通过溶血指标的计算评价了血泵内的溶血程度，发现雷诺切应力是导致溶血的主要原因．     

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。     

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。     

无源磁浮叶轮血泵的溶血实验及其指标的测定

溶血问题是叶轮血泵首先要解决的问题 ,而溶血指标是衡量血泵性能的重要参数之一 作者根据红细胞的再生机理 ,对溶血指标进行了理论估算 ,并且针对江苏大学生物医学工程研究所新研制的无源磁浮叶轮血泵 ,运用血动力模拟循环实验台进行了溶血实验 ,测出其溶血指标为 0 .0 5 ,低于允许值 0 .1     

市政排涝自吸泵启动过程气液两相流动及压力脉动分析

为了探明自吸泵的自吸机理.以外混式自吸泵为研究对象,利用CFX仿真软件中的VOF(volume of fluid)两相流模型和k-ε湍流模型,并结合网格滑移技术进行自吸过程非稳态数值模拟,分析了不同时刻下泵内气液两相体积、液相速度、出口气体体积分数和压力的分布情况.同时改变非稳态模拟的时间步长及总时长,监测自吸过程叶轮及蜗壳内监测点的压力变化.结果表明:自吸泵的吸气与排气主要集中在启动过程的初期和中期,叶轮入口和泵出口的气体体积分数分别超过60%和75%;叶轮出口的气液混合带导致了叶轮出口到蜗壳内侧大片区域内的流动紊乱现象,降低了叶轮的做功能力,进而影响了泵的正常排气;叶轮监测点压力脉动幅值与距叶片工作面的大小有关,蜗壳内监测点压力脉动幅值与距叶轮外缘的大小有关.     

基于现有蜗壳的高效低噪叶轮设计及数值分析

为对废泵进行利用,在现有蜗壳的基础上设计新的高效低噪叶轮。结合叶轮的外径、叶片出口角、叶片包角和叶片数4个因素,按照L9(34)正交试验方案设计9个叶轮,将其与现有蜗壳配套成9台泵,采用Fluent软件对泵进行数值模拟,分析离心泵内流场和外特性,并对满足设计扬程要求的泵进行稳定性分析。结果表明:4号泵(叶轮外径为246.2 mm,叶片出口角27.35°,叶片包角110°,叶片数7)效率最高,轴功率最小并且内流场和稳定性表现都较为优秀;因素分析表明:出口角对离心泵效率的影响最大,包角对离心泵轴功率、扬程和叶轮扭矩的影响最大。     

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。     

基于血液撞击损伤机理的高速螺旋血泵仿真分析

采用血液流变学及应力波理论,对高速螺旋血泵中血液撞击损伤机理进行研究,分析红细胞-固壁撞击破碎的过程和红细胞膜冲击破碎的条件;通过血液撞击损伤实验,对不同撞击速度下血液生理性能指标变化及红细胞微观形态进行观测分析,得出红细胞破碎的临界撞击速度;结合所设计的螺旋轴流血泵及螺旋混流血泵,应用多相悬浮体CFD 仿真技术,对血泵中的速度场进行仿真分析.研究结果表明当垂直撞击速度达到6 m/s 以上时,红细胞有可能发生破裂而导致溶血;所设计的螺旋混流血泵中血液由于红细胞撞击破碎而导致的溶血情况并不严重,其血液撞击损伤程度比螺旋轴流血泵的撞击损伤程度低.     

蜗壳出口位置对低比转速离心泵性能的影响

为了研究蜗壳出口位置对低比转速离心泵性能的影响,在保证蜗壳基圆、前八断面面积及形状、蜗壳出口直径和中心高相同的前提下,改变蜗壳出口位置,分别设计出A、B、C三种型号蜗壳.以清水为介质,基于雷诺平均法、RNG k-ε湍流模型,对比转速为46的离心泵进行数值计算.结果表明:三种不同出口位置情形时离心泵的外特性变化趋势基本一致,但最高效率值有所不同,在各个工况点,C型的效率均高于A、B型,且三者的高效区均向大工况偏移;三种型号蜗壳的离心泵,在各自相应工况下,叶轮进口处的静压分布、湍动能分布和流线分布大致相同,而叶轮出口及蜗壳流道中三者的变化较大,表明改变蜗壳出口位置对叶轮进口处内流场的影响较小,主要影响叶轮出口及蜗壳流道中内流场的变化.     

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.     

液力透平的数值计算与试验

设计了液力透平试验台,对一单级液力透平进行了试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行了数值计算.分析了液力透平在不同流量下的压力场和速度场,得到了内部流场的分布规律.应用速度三角形对液力透平叶轮和尾水管内部速度场随流量变化规律进行了研究.结果表明:离心泵反转可用作透平运行,并具有较高的效率;最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85％;透平内部的压力从蜗壳进口经叶轮到尾水管逐渐减小,进出口压差随流量增加而逐渐增加;在透平叶片背面和工作面存在漩涡区域,漩涡位置和区域大小随流量而变化;在尾水管横截面上存在的圆周速度分量随流量而变化.     

叶轮出口宽度对离心泵流动诱导振动噪声的影响

为研究叶轮出口宽度对离心泵流动诱导振动噪声的影响,以一台单级单吸离心泵为研究对象,保持泵体和叶轮其他几何参数不变,将叶轮出口宽度b2从10mm分别改为6,8和12mm．在离心泵闭式实验台上测量了不同出口宽度模型泵在全流量范围内的振动和噪声信号,并对信号进行处理和分析．实验结果表明：模型泵流动诱导的振动对泵体的影响最大,随着叶轮出口宽度的增加,模型泵4个测点的振动强度大致呈先增加后降低的趋势,当b2=8mm时,模型泵的振动强度最大;在不同流量工况下,模型泵噪声信号随叶轮出口宽度的增加其轴频峰值变化规律复杂,b2=10mm的模型泵各工况下噪声信号的轴频峰值相对较小,且在设计工况下达到最小值．     

一种双吸式血液泵水力设计

为了更好地满足体外循环装置和人工心脏的运行要求,该文采用RANS方法和SSTk-ω湍流模型对一种双吸式血液泵进行了三维定常湍流计算;在详细分析血液泵内部流动特征的基础上,对泵的水力部件如叶轮及压水室进行了设计优化,并探讨了各种设计对血液泵主要运行参数的影响。结果表明:压水室隔舌附近的流道容易出现较大的局部壁面剪切应力,是泵内血细胞容易受到损伤的危险区域;适当增大压水室断面面积有利于提高泵的水力效率;选择较大的叶片出口安放角时血液泵可获得较高的扬程,但采用径向叶片叶轮(出口叶片安放角为90°)时须设法控制流动扩散及其对泵性能的影响;所设计叶轮的平均壁面剪切应力为20～26 Pa,小于损伤血细胞的临界值。     

贯流风机结构参数及工作特性的关联

利用计算流体力学方法对贯流风机内部气体流动进行了数值模拟，研究了贯流风机的流动状态和结构参数变化对其产生的影响．分析了蜗舌间隙、进口角、蜗壳间隙、蜗舌位置角、出口角变化与贯流风机进、出口流速间的关系，从中寻找出结构参数变化对贯流风机流场影响的规律．通过计算分析，确定了不同工况下贯流风机进、出口角的最佳范围以及最佳蜗舌间隙的选取方法．将模拟计算结果与实验结果进行了比较．结果表明，数值模拟的结果与实验结果基本吻合．     

前向多翼离心风机叶片尾迹和蜗壳二次流动的试验研究

对前向多翼式离心风机建立了性能及流场测试台位 性能试验及流场测试表明,性能试验重复性良好,曲线符合理论性能曲线.用粒子图像速度场仪技术对叶片尾迹区及蜗壳出口横截面上的二次流做了详细的变工况测量与分析.结果表明:叶片尾迹区脉动强度达20%～70%;在设计工况附近叶片尾迹影响区域小,在非设计工况下叶片尾迹影响区域大,尾迹区域占到蜗壳径向宽度的15%～25%,约是叶片弦高的2～3倍;在蜗壳横截面上明显存在二次流旋涡;沿着蜗壳旋出方向二次流对称分布,但是到达出口时,小流量下两侧旋涡结合成一个旋涡,大流量下两侧旋涡一直保持到蜗壳出口.     

叶片包角对离心泵流场及脉动特性的影响

针对离心泵非定常流动压力脉动特性,采用滑移网格的大涡模拟技术对叶片包角分别为95°,100°,105°,108°的4副叶轮进行数值模拟.分析了叶片包角对离心泵水力性能、叶轮出口"射流-尾迹"、测点压力脉动频谱特性和叶轮径向力的影响关系.结果表明:随着包角的增大,离心泵的水力性能下降;包角适当增大,会使叶轮射流-尾迹流动结构变弱.在设计工况下,蜗舌附近测点压力脉动最大;在蜗壳螺旋段压力脉动强度沿流动方向逐渐变弱,而在叶轮流道内压力脉动沿流动方向逐渐增强,在叶轮出口处达到最大;而离心泵叶轮所受径向力随着包角的增大而减小,适当地增大包角可以提高离心泵运行的可靠性.     

离心泵全三维流场的大涡数值模拟

通过使用FLUENT软件的大涡模拟模型及多重参考坐标系，计算单级蜗壳式离心泵包括导入管、叶轮及泵壳在内的全三维湍流场．发现泵叶轮内各通道的流量、流速及压力等分布有显著差别，流动呈现明显的非对称性，泵内流动旋涡一般出现在叶轮叶片工作面上．文中还将泵性能的预测值与实测值作了对比，验证了计算结果的有效性．     

高比转速混流式水轮机引水部件水流特性研究

对ｎｓ＝２６０ｍ·ｋＷ的混流式水轮机引水部件流场测试结果作了介绍。通过在蜗壳进口、出口、导叶出口３个断面布置五孔探针进行测量，揭示水轮机引水部件内部的流动特性。结果表明：各断面流动均具有较好的轴对称性；蜗壳进口断面基本上为轴向均匀流动；蜗壳出口断面上的环量基本上为常数；导叶出口断面的环量沿导叶高度分布不均匀，由上冠至下环逐渐增大。进行了初步分析，对改进水轮机设计提出了建议。     

船坞泵站泵装置模型优化试验研究

对船坞泵站泵装置进行了模型试验,讨论了水泵参数换算、试验结果及误差分析等问题,研究了导流方案与悬空高度对泵装置性能的影响．为提高泵装置性能,将原出水管道虹吸下降段及出口管径设计成渐扩管．试验结果表明,在悬空高度hp=0．76D0时,各种工况下进水流态平顺,流道内无涡带发生,水泵运行平稳,装置效率可提高0．5％-1．5％．