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锥形螺旋叶轮血泵流场数值计算与分析

王广义  
【摘要】: 心血管疾病已成为导致人类死亡的主要原因。由于心脏供体的数量极少,不能够满足重危心脏病患者的移植,提出了左心室辅助装置。左心室辅助装置的主体是血泵,它能够将左心的血液引流到泵内再注入到主动脉系统,起到部分或完全代替自然心脏的功能,维持正常的人体血液循环。血泵研究主要采用CFD技术,仅通过计算机仿真优化就可以得到较为理想的血泵模型,大大节省因开发物理样机而花费的财力和时间。本文利用CFD技术设计并计算锥形螺旋叶轮血泵,在满足人体生理需求的基础上,采用改变导叶、变化泵体锥度和出入口锥能改善流动滞止和速度环流。 (1)详细综述了国内外人工血泵及其CFD仿真的研究现状,根据目前血泵存在的问题及发展趋势,利用PROE设计了泵体为锥形结构,具有两个头数的螺旋叶片,加之以流线型导流叶片的血泵。数值模拟采用全流道的方案。 (2)分析了CFD模拟过程中所用到的模型及数值计算方法。采用k-ε双方程的湍流模型、N-S方程的数值解法、给定变量的差分格式、定子和转子之间采用混合面法,来对锥形螺旋叶轮血泵流场进行计算和求解。 (3)运用三维软件进行泵的螺旋叶片、导叶这些复杂曲面的设计。将血泵在CFD前处理软件GAMBIT中进行处理,剖分出利于数值计算的四面体非结构化网格。把网格导入FLUENT中设定流体的参数和设置定转子的转动,最终实现血泵流场的数值模拟。 (4)分解了血泵的每一个参数来进行血泵流场的优化,在上百个分析结果中发现导流叶片、出入口锥、血泵锥度及泵体体积对血泵的流场起到关键作用。提出了变化泵体体积、流线形导叶、锐化出入口锥的优化方案。设计出满足生理需求的人工血泵。着重探讨因锥度变化而引起的转速、压强和流量三者之间的关系,给出了关系曲线和拟和方程。


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