外磁力振动对植入式轴流血泵流场的影响研究

摘要

溶血性能是血泵性能研究的重要方面，采用CFD技术对血泵流场进行仿真分析，利用得到的流场参数可以对血泵的溶血指数进行预估。但国内外学者对流场进行研究时，大多假设血泵处在固定静止的环境中，没有考虑到血泵的植入环境、高转速、受驱动力不均匀等因素引起的血泵振动问题。
　　 本文以在弹性植入环境中外磁驱动的植入式轴流血泵为研究对象，对血泵的永磁体转子受不平衡的电磁场驱动力形成的振动进行了研究，并根据振动状态研究了振动对血泵流场的影响和对单个红细胞变形和受力的影响，结合这些影响分析了振动对血泵溶血的影响。
　　 本文主要研究内容及结论有:
　　 1.基于电磁学、机械系统动力学等学科知识，计算了血泵永磁体转子在工作时受驱动磁场的作用力，并用仿真验证了作用力计算的正确性;建立了血泵弹性植入环境的模型，结合血泵受到的驱动磁力，构建了血泵在弹性植入环境中受驱动磁力振动的动力学系统;利用simulink对系统进行了搭建和求解计算，研究了血泵在各转速下的振动特性。
　　 2.利用FLUENT对血泵流场受振动影响进行了仿真分析，通过改变振动速度振幅和频率，观察相应的流场中速度矢量、红细胞容积率分布、壁面剪切应力云图，得到了振动速度振幅和频率与这些流场参数的关系，继而分析了振幅和频率对血泵溶血的影响。
　　 3.对在振动边界流场中的单个红细胞进行了建模，并利用FLUENT进行了仿真计算，得到了红细胞在振动流场中的变形过程、受力状态和流场状态，根据这三个因素分析了振动流场对血泵中红细胞损伤的影响。
　　 4.对血泵的弹性植入环境进行了实验模拟，搭建了测量血泵在弹性环境中受驱动磁力振动的实验系统;采集了在不同血泵转速、模型弹性系数情况下，血泵振动加速度分量数据;将数据进行分析与处理，与求解得到的理论值进行比较，验证了血泵振动理论研究的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究背景

1．2 大间隙外磁驱动技术在血泵中应用的研究进展

1．3 植入式血泵植入环境研究进展

1．3．1 主动脉血管力学性能研究进展

1．3．2 心脏力学性能研究进展

1．4 人体振动模型和受振动影响研究进展

1．5 计算流体动力学在血泵流场研究中的应用

1．6 论文研究目的及研究内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

第二章 血泵转子受大间隙驱动磁力计算与仿真

2．1 主、从动磁极耦合模型建立

2．1．1 微型植入式轴流血泵结构

2．1．2 大间隙外磁驱动原理

2．1．3 主、从动磁极耦合模型建立

2．2 主动磁极空间磁场强度理论计算

2．2．1 单匝通电矩形线圈空间磁场强度理论计算

2．2．2 系统空间磁场强度理论计算

2．3 从动磁极受电磁力理论计算

2．3．1 永磁体在磁场中受力公式推导

2．3．2 从动磁极受电磁力理论计算

2．4 主、从动磁极耦合仿真及分析

2．4．1 ANSYS软件对电磁场研究方法

2．4．2 主、从动磁极耦合仿真

2．4．3 仿真结果与理论计算结果分析比较

2．5 本章小结

第三章 弹性植入环境中血泵泵体受磁力振动分析

3．1 血泵泵体受磁力振动模型建立

3．1．1 血泵弹性植入环境及模型建立

3．1．2 弹性植入环境模型参数确定

3．2 振动方程的建立与解析

3．2．1 振动方程的建立

3．2．2 系统固有频率求解

3．2．3 振动方程解析计算

3．3 振动特性分析

3．3．1 振动系统的建模及分析理论基础

3．3．2 振动响应及分析

3．4 本章小结

第四章 振动对血泵流场影响仿真分析

4．1 仿真模型建立

4．2 振动对流场影响的仿真

4．2．1 求解模型选择

4．2．2 求解模型介绍

4．2．3 仿真参数设置

4．3 后处理及分析

4．3．1 计算收敛情况

4．3．2 计算结果及分析

4．3．3 振动速度参数对血泵溶血的影响

4．4 本章小结

第五章 红细胞在振动流场中行为研究

5．1 红细胞模型的建立

5．1．1 红细胞基本结构

5．1．2 红细胞模型建立

5．2 振动流场中红细胞行为仿真及分析

5．2．1 仿真模型建立

5．2．2 计算模型选取

5．2．3 仿真参数设置

5．2．4 后处理及分析

5．3 振动流场对红细胞损伤的影响

5．3．1 红细胞几何形状对损伤的影响

5．3．2 红细胞受力状态对红细胞损伤的影响

5．3．3 流场状态对损伤的影响

5．4 本章小结

第六章 弹性模拟植入环境中血泵振动测试实验

6．1 实验系统搭建

6．1．1 实验目的

6．1．2 弹性植入环境模拟

6．1．3 实验装置

6．2 实验步骤

6．2．1 实验系统参数

6．2．3 血泵振动加速度数据采集

6．3 实验数据处理与分析

6．4 实验与理论结果对比分析

6．5 本章小结

第七章 全文总结与工作展望

7．1 全文总结

7．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要研究成果