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植入式轴流血泵环空流场分析与结构优化

石芬  
【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。


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