植入式轴流血泵环空流场分析与结构优化

摘要

近年来，终末期心力衰竭的治疗已成为临床心血管内、外科所面临的巨大挑战。由于药物治疗和外科手术的局限性，以及供体心脏的短缺，促进了心脏机械辅助循环装置（人工心脏）的发展。人工心脏主要以微型机械泵来代替或辅助自然心脏泵血，其中轴流血泵由于结构简单、效率高、体积小、易植入人体等优点，已逐渐成为人工心脏的发展趋势。血液在血泵中流动，会因各种因素导致溶血，因此，研究血液在轴流血泵的流场性能，对血泵在医学临床上的使用有着极大的意义。
　　 本文研究了血液在血泵中的环形空间流动，采用CFD技术对血液在血泵内的流场进行了仿真分析，并在此基础上对现有血泵的结构进行了优化。论文的具体工作如下:
　　 1.对血液在血泵中的环空螺旋流动性能进行研究，推导出速度、流量、压力梯度和流变方程的表达式;对血液在血泵中的湍流Standardk-ε方程进行了推导;研究了血细胞在旋转血泵中的运动，得出了血细胞的轴向与径向速度的表达式。
　　 2.采用转速-流量-水头实验台进行轴流血泵体外流体性能实验。实验结果表明:血泵入口压力较低时对出口压力与流量没有明显影响;血泵的出口压力大，流量小;出口压力与流量随着转速的增大而增大;粘度大的液体出口压力与流量小;根据人体生理学的条件，选择合适的入口压力、出口压力、转速与流量作为仿真分析的边界条件。
　　 3.采用fluent软件对现有的植入式轴流血泵进行模拟仿真，分析了血液的速度场、压力场、应力场和湍流效应，及它们对血细胞机械损伤的影响;得出了大于红细胞撞击损伤临界速度的体积分数和分布区域;得出高剪切区域和高湍流动能的位置。
　　 4.对不同螺距、不同引流叶片数与不同前导叶的血泵进行优化分析，确定一种较好的方案对血泵的结构进行优化。通过CFD仿真分析，与原血泵比较，优化后的血泵血液的机械损伤减小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源与研究背景

1．2 血泵的发展

1．3 环空螺旋流的研究现状

1．4 血泵流场的研究现状

1．5 本论文的研究内容

第二章 轴流血泵内部血液的环空流动分析

2．1 血液在血泵中环空流动的类型

2．2 血液在血泵中环空螺旋流方程

2．2．1 血液的本构方程与环空螺旋流的基本方程

2．2．2 流体速度分布与压力梯度表达式推导

2．2．3 轴流血泵的流变方程

2．3 血液在血泵中Standard k-ε方程

2．3．1 K方程的推导

2．3．2 ε方程推导

2．3．3 Standard k-ε方程

2．4 血泵中血细胞的运动

2．5 本章小结

第三章 轴流血泵体外流体实验

3．1 实验系统

3．1．1 实验系统的设计

3．2．2 实验仪器与试剂

3．2．3 实验数据的采集

3．2 实验过程及实验数据分析

3．2．1 血泵入口压力与出口压力关系的实验

3．2．2 血泵转速与流量压力关系的实验

3．2．3 粘度与转速流量关系的实验

2．2．4 仿真边界条件的确定实验

3．3 本章小结

第四章 轴流血泵内部流场的数值模拟

4．1 Fluent中N_S方程数值解法

4．1．1 有限体积法

4．1．2 离散方程的求解

4．2 建模与网格的划分

4．3 CFD仿真结果及分析

4．3．1 血液速度场分析

4．3．2 血液应力场分析

4．3．3 血液压力场分析

4．3．4 血液湍流效应分析

4．4 本章小结

第五章 轴流血泵的结构优化

5．1 血泵结构参数对血泵流场的影响

5．1．1 转子螺距对血泵流场的影响

5．1．2 主体后导引流叶片数对血泵流场的影响

5．1．3 前后导叶对血泵流场的影响

5．2 血泵结构组合优化方案的确定

5．3 优化后血泵叶轮CFD仿真分析

5．4 本章小结

第六章 全文总结与工作展望

6．1 成果与结论

6．2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果