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。     

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。     

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。     

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。     

Pivot支承的轴流式血泵特性仿真与实验

血泵的出现为治疗心衰提供了一种新的途径。针对第二代血泵中使用的机械轴承摩擦大,第三代血泵中使用的磁悬浮轴承导致血泵体积难以缩小、功耗大的问题,提出了一种血流动压和Pivot轴承相叠加的支承方式,减小结构,便于植入人体。利用计算流体动力学对轴流式血泵的关键参数进行优化,对优化后的血泵进行仿真分析和溶血预测。加工出血泵并搭建体外循环实验平台进行血泵水力特性测试。结果表明所提出的Pivot支承具有摩擦小,体积小的特点,能较好的解决现有血泵的问题。     

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。     

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.     

轴流血泵叶轮结构CFD仿真优化

轴流血泵内部流场形态产生的高剪切力是导致血液溶血的重要因素,因此,对轴流血泵中血液的流体动力分析有助于血泵性能的优化及减少血液细胞的损伤。应用计算机求解RNGk-ε方程,对所设计的微型轴流血泵叶轮中血液的流线及速度、压力、应力等分布情况进行了仿真分析。研究结果表明:血泵中的流体具有非常复杂的流动情况,为了避免流动分离、压力变化过大等情况,减少切应力,对血泵叶轮结构提出了相应的改进意见,并给出了优化后的叶轮结构。     

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。     

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。     

对转轴流泵的设计与数值分析

对转轴流泵是由2个叶轮串联在一起,以相反的方向绕同一轴心旋转的轴流泵.与常规前、后导叶式轴流泵相比,在同样设计参数条件下,对转式轴流泵具有相对体积小、运转速度低、抗空化性能好和推重比高等特点.为探究对转轴流泵的设计理论和方法,设计了一对转轴流泵的前、后置叶轮,应用Matlab软件实现参数化设计,搭建了自动分析优化平台,...     

非定常大涡模拟下混流泵叶轮的轴向力研究

为研究导叶式混流泵的轴向力,建立了导叶式混流泵内全三维流道模型,基于非定常大涡模拟亚格子尺度模型与滑移网格技术,对不同工况下的混流泵进行了数值模拟和性能预测,并将非定常方法计算值、定常方法计算值、经验公式估计值与试验值进行比较分析。结果表明:非定常方法计算得到的叶轮轴向力变化规律与试验和经验公式计算得到的轴向力变化规律更接近;在设计工况附近,定常和非定常方法计算得到的混流泵叶轮轴向力的数值与试验值的相对误差均约为10%;在小流量及大流量工况下,定常方法的计算值与试验值的相对误差约为30%,非定常方法的计算值与试验值的相对误差在10%之内。因此,非定常模拟方法可以更准确地预测混流泵的轴向力。     

轴流泵叶轮汽蚀两相流的数值模拟与分析

为了分析某型号轴流泵叶轮汽蚀状态下汽液两相流特征,本文基于均相流模型、RNG k-ε湍流模型与SIM-PLEC算法,分别从外特性和内部流场两方面分析了轴流泵叶轮的空化过程,通过定量分析不同NPSH下轴流泵的扬程下降和空泡分布的对应关系,讨论了不同空化状态下叶轮内部速度场和压力场的分布,寻找出轴流泵空化发生破坏的位置和发展趋势。数值模拟结果表明,空化初生时空泡产生于叶片背面进口轮缘处,随着轴流泵进口压力的不断降低,叶片背面外缘处空泡逐渐向轮毂侧发展,且外缘侧空泡不断向前推进,在装置汽蚀余量NPSH为6.62m时,空泡基本覆盖叶片的背面,此时叶片丧失了部分做功能力,且扬程下降明显。计算模型泵进行了现场运行试验,试验结果表明,数值模拟的空泡分布与实际破坏位置一致,验证了数值计算的准确性,也为解决轴流泵汽蚀破坏问题提供了内流流场参考。     

对旋轴流叶轮不同转速比的设计及CFD分析

在相同的设计流量和设计扬程条件下，设计了3种不同转速比的对旋轴流叶轮，得到了叶片不同的特征参数。结果表明：对旋式轴流泵前置叶轮与后置叶轮的转速比采用稍小于l的设计是较为合理的，并且可以获得较宽的运行高效区。以此叶片设计结果为数值模拟的对象，对前后叶轮采用7种不同的转速比进行数值模拟，得到各自全流道下紊流流场的压力、速度等值线及分布云图，预测一定转速比下的叶轮外特性性状，为实际运行和选型应用提供了依据。     

基于流场计算的螺旋离心泵叶轮静力学分析

为研究螺旋离心泵叶轮结构的振动特性,首先建立螺旋离心泵内部流场三维模型,对设计工况下的螺旋离心泵内流场进行了定常数值模拟,得到了叶片表面的压力载荷分布;建立叶轮有限元模型,以螺旋离心泵全流道三维定常数值模拟计算结果为基础,利用顺序耦合技术进行了有预应力的叶轮静应力分析和模态分析,结果表明:叶轮的最大应力出现在叶片进口的轮毂处,叶轮强度满足设计要求;叶轮最大的形变区域出现在叶片进口的轮缘处;叶轮的变形域随着频率的增加而增大;叶轮的各阶固有频率远大于泵的运行频率,因此在运行过程中不易发生共振现象。     

基于轴流泵间隙流动的新水力设计方法

轴流泵叶轮轮毂与轮缘处间隙流动及边界层对轴流泵性能的影响很大,应用Numeca及Flu-ent等软件对轴流泵叶轮轮缘间隙中的流动进行数值模拟,根据流动模拟结果对叶轮叶片型线及轮毂、轮缘处的叶型设计进行修正,使其速度-压力分布比较理想,并提出了基于间隙流动的轴流泵水力设计方法,这种新的水力设计方法有利于改进轮缘和轮毂处边界层以及轮缘间隙中的流动,达到提高轴流泵效率的目的。     

永磁磁浮技术在叶轮式人工心脏的应用

将永磁力跟非磁力相结合实现永磁磁浮 ,研制出永磁磁浮叶轮血泵的样机。当电机转速逐渐增加到4 0 0 0r/min以上时 ,转子在液动力的作用下从接触点与定子相脱离 ,实现完全悬浮。压力和流量之间的关系曲线显示血泵的内部没有机械摩擦和湍流。与采用机械轴承的血泵相比 ,采用永磁磁浮技术的血泵不仅效率高 ,寿命长 ,而且不会产生溶血和血栓。     

轴流血泵叶轮结构仿真优化分析

采用CFD仿真技术,结合所设计的微型轴流血泵,对血泵叶轮中的速度、压力、应力等分布进行了仿真分析。研究结果表明：血泵中的流体具有非常复杂的流动情况,为了避免流动分离、压力变化过大等情况,减少剪切应力,对血泵叶轮结构提出了相应的改进意见。     

旋流泵内盐析两相流场的计算及试验研究

为研究流体机械内部伴有盐析的液固两相流动情况,自行设计了旋流式模型泵,采用双流体模型计算了该泵在最优工况下的氯化钠盐析两相流场,并采用先进的激光相位多普勒粒子测速仪测量了泵无叶腔及叶轮内部盐析两相流的三维速度场。将试验结果与计算结果进行对比,验证了计算模型的适用性,并给出了误差分析。通过对试验测得的周向、轴向、径向速度及其对应的脉动速度分布曲线讨论,初步揭示了该型泵内盐析两相流动特征。在整个流道内,盐析晶体颗粒大部分集中于无叶腔,且分布较均匀;进入叶轮后向叶片工作面靠拢;颗粒浓度最低处是在叶轮进口叶片背面靠近叶轮后盖板附近;液固两相在叶轮与无叶腔中的周向速度分布差异明显;两相间速度及脉动速度有滑移,但差异总体上并不显著。