离心式磁悬浮血泵用混合磁悬浮支承设计与仿真

摩擦和磨损会导致离心式血泵机械轴承的寿命短、发热量大,易引起血栓和溶血,针对此,提出了一种离心式血泵用混合磁悬浮支承结构。采用数值计算法对血泵用磁悬浮支承进行了磁场分布数值模拟,设计了基于边缘效应的磁悬浮支承结构实验原型样机,搭建了控制系统,并以实验验证了该结构静态悬浮的可行性。研究结果为离心式磁悬浮血泵的结构设计和溶血问题的改善提供了重要依据。     

轴流式磁悬浮血泵流场数值模拟及溶血预测

血泵流体动力分析是研发先进人工心脏泵的前提,血泵叶轮旋转时会对血细胞造成不同程度的机械损伤,从而导致溶血和血栓,严重时甚至危及患者生命。以设计的一种轴流式磁悬浮血泵为例,结合计算流体力学和结构优化设计,采用κ-ε模型、动网格技术和用户自定义函数技术,在轴流式磁悬浮血泵内部三维流场数值模拟的基础上,分析轴流式磁悬浮血泵流道的剪应力分布,探索血液流量与叶轮转速的关系,利用粒子追踪法获取血液细胞流动轨迹,建立一种轴流式磁悬浮血泵的溶血数学模型,阐述轴流式磁悬浮血泵溶血性能预测的方法和机理。研究结果可为轴流式磁悬浮血泵的结构设计和降低溶血提供重要依据。
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混流血泵血液压差损伤机理分析及仿真

血泵对血液的破坏程度是衡量血泵性能的一个重要指标,而植入式混流血泵内部流场中过大的压力梯度是导致血液中红细胞破碎从而引起溶血的重要因素之一。本文采用水力旋流场及血液流变学理论对混流血泵内血液压差损伤机理进行了研究,给出了红细胞压差破碎的判定依据,并结合所设计的植入式混流血泵,应用多相悬浮体CFD仿真技术,对血泵中的压力场进行了仿真分析。仿真结果表明:所设计的植入式混流血泵中的压力分布情况可以满足血液生理要求。     

离心式杂质泵内颗粒分布规律的研究

利用Fluent软件对离心式杂质泵内部流场进行数值计算,将其内部流动可视化,分别计算了不同颗粒直径和泵进口固相浓度多个工况下泵内的两相流流场,得到了叶轮和蜗壳内的固相浓度分布。分析了不同进口固相浓度以及不同颗粒直径条件下,颗粒在叶轮和蜗壳内的分布规律。     

基于动网格的永磁悬浮章动血泵流场数值模拟及溶血预测

血泵转子高速旋转会造成血细胞出现不同程度的机械损伤，严重时可能危及患者生命，研究血泵流场特性是设计人工心脏泵的关键。以自主研发的章动磁悬浮血泵为例，基于计算流体动力学非定常三维N-S方程，采用标准κ-ε模型、用户自定义函数和动网格技术，模拟分析血泵内部流场情况，探究三维流场内速度、压力以及剪切应力大小及分布规律。建立磁悬浮章动血泵的溶血模型，采用粒子追踪法获取红细胞在血泵内所受剪切应力和暴露时间，预测血泵的溶血特性。研究结果表明血泵内部流动均匀，没有明显的回流和滞流现象，具有良好的血液相容性。研究为磁悬浮章动血泵的进一步优化设计和性能评价提供重要依据。     

磁悬浮血泵流场分析与结构优化

在满足血泵出口压力的前提下,磁悬浮人工心脏血泵装置的发展主要趋向于小型化和轻型化,并具有良好的血液兼容性和流动性。基于流体动力学分析软件,通过设置血液流场边界条件,采用k-ε湍流模型,对血液流道进行三维建模,同时开展磁悬浮血泵内部流场的数值模拟仿真,分析血泵的速度场和压力场,探索叶轮参数对血泵扬程的影响。结果表明,5片叶片的叶轮压差较低,在相同叶片数下流道扩散角为58°时血泵的压差最高。     

一种轴流式血泵的水力性能研究及溶血预测

血泵运转时其内部不规则流动会对血液造成不同程度的机械损伤,从而导致溶血和血栓,严重时可能危及患者生命。流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)分析方法能够对血泵的水力性能以及溶血程度有一个较好的评估。采用流体动力学软件fluent,对设计的一种轴流式血泵进行分析,采用模型、用户自定义函数技术,在轴流式血泵内部三维流场数值模拟的基础上,探索流量与叶轮转速的关系,CFD分析结果表明,泵能够在稳定流动情况下在6400 r/min转速下能够产生5 L/min的流量以及100 mmHg的扬程;分析轴流式血泵内流场以及叶轮和导叶表面的剪应力分布,并利用粒子追踪法获取细胞的流动轨迹,并根据建立一种轴流式血泵的溶血数学模型阐述轴流式血泵溶血性能,研究结果可作为轴流式血泵的结构设计和降低溶血的重要依据。制作了泵的实体,导叶与叶轮采用航空铝合金制作,外壳采用透明的有机玻璃。采用不同的工况对泵的水力性能进行了测试,流体介质采用甘油与水按一定比例混合的溶液,使之黏度与人体的血液接近,结果表明:CFD分析和实验结果能较好地吻合。     

基于PRO／E与ADAMS的锥形螺旋叶轮血泵虚拟样机建模及动态仿真

介绍了运用Pro/E软件对磁悬浮锥形螺旋叶轮血泵的结构设计与建模,通过PRO/E与ADAMS两个软件之间的专用接口程序Mechanism/Pro生成刚体和定义简单约束后,把锥形螺旋叶轮血泵模型传递到机械系统动力学仿真分析软件ADAMS中,添加复杂约束和力,特别是为了模拟磁悬浮力的作用,将其简化为等效的弹簧力的作用,然后进行锥形螺旋叶轮血泵系统的运动学和动力学仿真分析,得到血泵系统不同运行时段的力、位移、速度和加速的曲线.仿真分析表明所设计的血泵理论上可以满足人工心脏要求的设计指标,研究方法为缩短血泵的设计开发周期提供了强有力的手段.     

离心式水泵内部流场的面元法数值计算

本文介绍了面元计算方法,探讨了离心式水泵内部流场。分别采用了表面分布面元和叶轮骨线上分布面元,研究了不同工况下环量密度的分布规律及泵内部流场的速度分布,分析了泵内产生的倒流现象。数值计算结果表明,这种方法是有效的,为进一步研究泵内三维流场,性能及压力场提供了可能。     

联体泵-马达壳体内流场功率损失特性

联体泵-马达工作过程中由于流场功率损失过大,造成摩擦副磨损、压力供给不足、旋转部件发热等问题,降低整机的可靠性和寿命。采用了Mixture多相流模型及自编程的网格变形运动控制程序,建立了联体泵-马达壳体内部流场功率损失特性数值仿真模型。通过分析连体泵-马达壳体内油-空气两相流场中涡结构和湍流参数,揭示了壳体内流场功率损失产生机理及分布特性,并研究了转速和泵斜盘倾角对功率损失的影响规律。结果表明:流场涡结构及湍动能较高区域均集中在柱塞及缸体转动区域,该区域的搅拌损失占比为98.91%,湍流耗散损失占比为60.66%,是壳体内流场功率损失主要来源区。转速的增加导致流场湍动能升高,流场总损失增加;转速从955 r/min增大至3000 r/min后,流场总损失增加了1441.36 W。泵斜盘倾角的变大,使马达侧转速增加,流场更紊乱,流场总损失增加;泵斜盘倾角从0°增大至17.5°,流场总损失增加了1077.04 W。     

锥形螺旋轴流血泵流场三维数值模拟与分析

利用ProE软件对血泵的不同结构进行三维建模,应用计算流体力学(Computational fluid dynamics, CFD)中非定常三维N-S方程,基于非结构网格的有限体积法以及k-ε湍流模型方法数值模拟血泵的全三维内流场。着重计算和分析旋转叶轮转速和锥度变化对血泵流场的影响。仿真试验表明,锥形螺旋轴流血泵转速和锥度都不应过大,否则将会使得流场变得紊乱。转速过大,泵的性能会降低;锥度不应过大,否则不能保证流场平稳。     

振动轴转速对双卧轴振动搅拌流场的影响

为研究双卧轴振动搅拌机搅拌筒内流场振动搅拌过程中固液混合流体瞬态流动情况,基于计算流体力学(CFD)提供的计算方法,结合动网格技术、欧拉多相流模型、Realizable k-ε湍流模型及离散相模型,采用C语言编写用户自定义程序(UDF),并将其动态链接到CFD中,在非稳态条件下数值模拟双卧轴振动搅拌机搅拌质量受振动轴转速、固相颗粒体积分数的影响规律,并在此基础上,进行了振动搅拌试验研究。结果表明:当搅拌轴转速为35 r/min、混合料颗粒体积分数为20%、颗粒直径分别为10 mm、20 mm和30 mm时,振动轴转速分别为960 r/min、1 460 r/min和1 800 r/min时其搅拌质量最佳;数值分析结果与试验结论基本一致,说明了数值计算结果的准确性和计算方法的可行性。     

紧凑型轴流式血泵电机的设计与仿真

针对传统轴流式磁悬浮血泵存在轴向尺寸偏长,不利于植入问题。提出一种将无刷直流电机与径向磁悬浮轴承集成结构,可有效缩短血泵轴向尺寸;在讨论血泵结构的基础上,重点通过对无轴承直流电机进行理论计算,获得其设计参数,然后采用数值仿真,讨论了电流、位移以及转子位置角对无轴承直流电机径向悬浮力的影响关系。     

微型轴流式血泵叶轮流场CFD计算分析

通过对人工血泵中血液的流体动力分析,计算血液流场的结构和流动性能,可以较好地了解设计血泵的血液流动和流场对血液造成的损伤。本文通过对一种微型轴流式血泵叶轮流场采用CFD方法进行了计算和分析,结论:计算了该叶轮在满足正常人体供血时的工作转速和驱动功率,为磁耦合驱动的设计提供了理论数据;血液经过螺旋叶片,速度分布梯度变小,有利于血液的均匀流动,减少了对血液的破坏,叶轮流场结构基本合理。但是,叶轮边缘间隙处存在局部高剪切区,由于局部压差的存在,流场在出口处出现局部回流。     

高剪切稳态载荷条件下人体血液润滑模型与仿真

根据血液流变学和流体力学理论，建立了血液在高剪切稳态载荷条件下血液润滑的数学模型。结合外场驱动微型轴流式血泵计算了血泵叶轮转子轴承在血液润滑条件下润滑膜的压力分布、承载能力、摩擦力、摩擦功耗等参数。分析了摩擦润滑指标与轴承配合间隙及叶轮转子转速之间的关系。结果表明，轴承配合间隙越小、转速越高，轴承的承载能力越大，但小间隙不利于血液分子的充分流动，高速将明显增加摩擦功耗。外场驱动血泵转子轴承配合间隙应选为0．002mm。     

基于主动转速调制的离心旋转血泵流场分析

为研究血泵主动转速调节对血泵内部流场以及血液损伤的影响,采用计算流体动力学(CFD)方法模拟血泵在转速调制下的全流道内部流动。通过集总心血管系统数学模型和旋转血泵模型的联合数值模拟得到血泵辅助条件下的心室和主动脉压力,并设置为血泵CFD模拟的进出口边界条件。分析了匀转速以及正弦波、方波、三角波三种异步转速调制波形下的血泵流场情况,得到了旋转血泵的速度分布图以及剪切应力分布图。结果表明,转速调制下血泵的流量脉动得到了增强,是一种恢复血流搏动性的可行方案。三种速度调制波形中,正弦波转速调制下的血泵流量脉动指数高且血泵内剪切应力小,是相对理想的转速调制波形。     

具有较大气隙的锥形螺旋血泵磁悬浮结构的设计与分析

提出了一种新型具有较大气隙的永磁体磁悬浮锥形螺旋血泵,介绍了永磁体磁悬浮血泵的基本结构.通过电磁场分析软件ANSYS建立永磁体血泵磁场模型,并对其内部磁场分布、前后导轮的轴向和径向悬浮力,以及转子的径向和轴向悬浮力进行了计算和分析.为锥形螺旋磁悬浮血泵的设计提供了理论依据.     

体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵原理及关键技术研究

在中国国家自然科学基金资助项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵的研究》,河北省回国留学人员择优资助经费项目《体外驱动全磁浮锥形螺旋轴流血泵研究》,以及流体传动及控制国家重点实验室(浙江大学)开放基金资助项目《磁悬浮外磁场驱动轴流血泵的研究》的共同资助下,开展体外驱动全磁浮锥形螺旋叶轮血泵(TMSCSI-BP-DOD)工作原理及关键技术研究,制造出物理原型样机,对研究取得的成果进行学术总结报告.为减少和消除血泵流道结构不合理引发的溶血和血栓问题,以减小血液流动剪切速度为目标,基于“静止进口导叶导轮+锥形螺旋叶轮转子+静止出口导叶导轮”的结构,提出一种体外驱动、在轴向和径向完全实现磁悬浮的新式血泵——TMSCSI-BP-DOD,建立起锥形螺旋叶轮转子及其流道内的血液学和流体动力学模型,模拟分析血液流场和流动规律.运用计算流体动力学(CFD)方法考察一定转动速度下,锥形螺旋叶轮转子叶片数、叶片螺距、转子锥度、进出口导轮叶片形状和导轮叶片数等参量对血泵流场、输出流量和压力的影响规律,模拟血泵结构参数变化对血泵性能的影响.通过仿真计算得到21条研究推论,归纳出5条研究结论.提出了TMSCSI-BP-DOD转子、叶片、导轮设计应遵循的7条设计准则:血泵进口端壳体和出口端壳体内表面应该设计成流线形状;进出口导轮应该设计成锥弧形曲面,并能与血泵进口端壳体和出口端壳体内表面相匹配;转子应该设计成锥形,转子锥度应该选取为9.46°;与转子对应的血泵壳体部分内表面应该设计成锥形,并与转子的锥度相同;锥形转子上的叶片应为螺旋状,且选取螺旋头数为3,即螺旋叶片数为3;锥形转子上螺旋叶片的螺距应该选取为35 mm;进出口导轮上的导叶片形状应设计成圆弧状,进出口导轮上的叶片数分别为8.为了解决血泵机械轴承在运转过程中由于磨损而引发血泵的失效,以及轴承摩擦热对血液可能产生的破坏作用,提出采用磁悬浮轴承(MSB)替代机械轴承的锥形螺旋叶轮血泵转子(RCSIP)径向和轴向混合被动式磁悬浮结构,构成了血泵锥形螺旋转子的轴向和径向磁悬浮轴承;建立了径向永磁轴承内磁环径向有偏移、轴向有偏移情况下轴向悬浮力、径向悬浮力的数学模型;建立了轴向永磁轴承动环轴向有偏移情况下轴向悬浮力的数学模型.采用ANSYS/Emag中的电磁场模块,仿真分析了不同气隙及径向偏移量下永磁轴承的磁力线分布,内磁环所受径向悬浮力与径向偏移量之间的关系,不同轴向偏移量时径向永磁轴承磁感应强度矢量分布,径向永磁轴承轴向悬浮力与轴向偏移量之间的关系.通过上述数值计算分析数据,得到了14条研究推论,归纳出10条研究结论.根据上述推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD轴向和径向永磁轴承设计所应遵循的5条设计准则:径向永磁轴承应该由轴向充磁的两个磁环组成;为保证产生足够的径向悬浮力,径向气隙g0应取值0.2 mm;轴向永磁轴承应该由轴向充磁的两个永磁环组成;为保证产生足够的轴向悬浮力,轴向间隙应控制在0.2 mm附近;为保证对血泵转子磁悬浮的稳定性,轴向和径向永磁轴承应该成对出现.针对血泵动力导线与控制导线穿越皮肤引起人体感染等问题,构思出体外磁场驱动方案——血泵转子驱动永磁铁采用高磁性永磁体NdFeB制成,运用永磁电机驱动原理,对线圈组加载交变电流来产生旋转磁场,对永磁转子产生旋转力矩,从而驱动转子持续转动.提出呈120°均匀周向排列的三线圈驱动系统和呈60°均匀周向排列的六线圈驱动系统等两种设计方案.针对旋转磁场的构建,以三线圈驱动方案和六线圈驱动方案为研究对象,应用ANSYS/Emag的电磁场模块通过剩磁、内禀矫顽力、转子内径、转子外径、转子与线圈中心距等参量仿真模拟了加载电流与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,以及线圈与永磁转子之间的距离与永磁转子上产生的驱动力矩之间的关系,得到了14条研究推论,归纳出5条研究结论.根据上述研究推论和结论,提出了关于TMSCSI-BP-DOD血泵转子外磁场驱动设计所应遵循的3条设计准则:转子上必须有4个径向充磁的永磁磁条;驱动线圈取为6个,且沿转子周向均匀布置;驱动线圈与转子之间的中心距应控制在40～60 mm之间,以保证永磁转子上产生足够的驱动力矩.为验证六线圈驱动方案正确性,分析驱动距离、驱动电流对永磁转子转速的影响规律,构建起TMSCSI-BP-DOD转子外磁场驱动实验装置,通过改变线圈组与转子中心距离,获得其在定值输入电流下永磁转子所能达到的最高转速与距离关系曲线;保持线圈绕组与永磁转子中心距一定,获得测量输入驱动线圈电流变化的情况下永磁转子最大转速与驱动电流的关系曲线.据此得到了2个推论,实现了距转子40～60 mm范围内无机械连接磁场驱动.为了验证所构思的新型血泵工作结构的可实现性,制造出TMSCSI-BP-DOD物理原型样机.以锥形螺旋转子、导轮及外壳等3个关键零件为对象,规划了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机零件的制造过程和制造工艺,编制数控加工程序,建立了血泵总装配流程图和装配步骤,得到了血泵物理原型样机的总装配图.通过机械制造,得到了锥形螺旋转子、导轮及外壳等实际加工体,通过测量,得到实际加工公差,证明上述3个关键零件的加工步骤、加工工艺流程正确.搭建了TMSCSI-BP-DOD物理原型样机实验测试系统,测试了血泵扬程与转速、流量之间的关系,血泵转速与控制器电流、电压和输出功率之间的关系,血泵扬程与功率和效率之间的关系,得到了5条研究推论,证明TMSCSI-BP-DOD的工作原理是正确的,其最高驱动转速可达5 750 r/min,对应的流量达2 L/min,压力达18.49 kPa,输出流量和压力可以满足人体辅助血液循环的要求,但尚不能满足完全代替人体心脏的要求.     

轴流血泵流场分析与结构改进

为研究轴流血泵结构对溶血的影响,采用计算流体动力学(CFD)仿真技术对两片尾导叶血泵的流场进行仿真,根据压力、流速及剪应力分布,分析了流场内血液的流动状况以及产生溶血的原因和可能出现溶血的区域。在此基础上将尾导叶改为三片尾导叶结构。结果表明:三片尾导叶血泵内部回流减少,压力、剪应力明显减小,更符合血液动力学要求,可以有效降低红细胞破损的概率,抑制溶血产生。研究方法为轴流血泵的设计和结构优化提供了参考。     

动静区域耦合方法对血泵模拟结果的影响研究

为了探究使用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)评估离心血泵性能时采用非定常模拟方法的必要性,对美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)提供的标准模型进行数值仿真,分别使用定常单坐标系(Single Reference Frame, SRF)与非定常动静区域耦合的滑移网格模拟方法对4个工况进行模拟并与实验结果进行对比。 结果表明,定常SRF预测的泵内速度场与实验结果误差在4%以内;非定常滑移网格的误差为2%以内,且确定系数相较定常SRF平均高0.4。对于溶血系数的计算,两种方法均未给出准确的定量预测。 因此对于血泵流场的计算,非定常滑移网格模型与定常SRF模型相比,有一定的准确度上的提升,但并不明显。