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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微型章动心室辅助泵的流体动力学仿真与实验

血液在高转速下可能出现溶血的现象,利用章动原理设计了一款新型的心室辅助泵,有效地降低了设计转速。首先对微型章动心室辅助泵进行三维建模,之后对泵体内部流场开展实时仿真,获得心室辅助泵内部的流动特性,最后对微型章动心室辅助泵进行实物加工,开展水介质的性能实验,验证了微型心室辅助泵的可行性。     

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。     

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。     

可植入式微型轴流血泵流场的数值模拟

利用CFD技术对血泵内部流场进行分析可以大大缩减血泵的研制周期和成本,采用非定常的三维N-S方程和基于非结构网格的有限体积法,利用k－ε湍流模型和滑移网格模型,对一可植入式轴流血泵进行了三维数值模拟,得到满足生理要求的扬程曲线。同时对泵内流场进行了分析,对导流叶片的作用及其对内部流场、扬程的影响进行了探讨,为血泵的进一步优化设计提供了参考依据。     

非均布导叶对核主泵模型泵性能及压力脉动的影响

为研究核主泵模型泵导叶非均布对于其外特性及压力脉动影响,分别采用SST(剪切应力输运)k-ω湍流模型和分离涡模拟方法对泵内部流场进行了三维定常和非定常数值模拟,得到两模型泵外特性曲线和内部压力脉动情况,并对压力脉动进行时域频域分析。结果表明:采用特定形式的非均布导叶可以改善出口流动,提升模型泵多工况性能;导叶非均布对于泵内不同区域压力脉动影响不同,但其改变了由动静干涉产生的脉动频率分布,削弱了脉动幅值,有助于降低泵的振动和噪声,提高核主泵的安全性。     

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。     

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。     

锥形螺旋叶轮血泵全流场三维数值模拟与分析

利用计算计算机辅助设计（CAD）软件进行血泵的三维建模，应用计算流体力学（CFD）方法数值模拟血泵的全三维内流场。数值模拟采用的是非定常的三维N-S方程和基于非结构网格的有限体积法以及κ-ε湍流模型。对血泵的内流场进行了分析，对导流叶片的作用及其对内部流场的影响进行了讨论。所作研究对于锥形螺旋叶轮血泵叶轮和流道的优化设计具有指导意义。     

双螺杆液体泵双头全光滑螺杆的流场特性研究

针对双螺杆液体泵的内部流场比较复杂,建立双螺杆液体泵的三维模型,采用三维结构化网格对模型进行网格划分,加密啮合间隙处的网格,从而准确、清晰地反应泵内流场的流动特性和流场分布规律。研究结果表明:双螺杆液体泵内压力呈阶梯状分布,转子啮合间隙处高低压交替分布;螺杆转子之间的法向间隙处存在Z轴泄漏速度的最大值,是主要的泄漏位置。研究结果为优化螺杆转子的设计提供依据。     

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.     

船用挖泥泵内部流动研究

采用数值计算方法研究船用挖泥泵内部三维粘性流动特性。计算模型建立在N-S方程基础上，采用Real-izable k-ε紊流模型，该紊流模型在具有较高主流剪切率、较大曲率的壁面或有流动分离的情况都能得到相当精确的计算结果，并且计算所得叶轮能量特性和实际运行结果相当吻合。在流场计算的基础上，利用压力、速度矢量分布团等处理手段显示内部流场，分析在不同工况下流道的内部流态，研究挖泥泵流道内部的流动规律，对机组的各项性能做出合理的判断。     

磁悬浮复合转子章动模态的最优阻尼控制

为了抑制磁悬浮分子泵高速复合转子章动模态对稳定性的影响,提出了一种基于移相器的轴承力最优阻尼控制方法,建立了磁悬浮分子泵刚性复合转子的动力学模型,计算出转子闭环系统的最优控制相位,通过扫频检测闭环系统在临界转速处的滞后相位,定量获得系统的最优补偿相位,利用移相器对系统相位进行最优补偿,以保证系统在章动频率处的相位裕度,避免磁悬浮分子泵复合转子在高速下的章动失稳。经试验证明:采用最优阻尼控制方法,可使磁悬浮转子在高速运行时的章动模态幅值降低50%以上,对转子高速下的章动模态有较好的抑制效果。     

基于CFD磁悬浮离心血泵多相流流场仿真研究

磁悬浮离心式血泵具有较好的血液流动性与血液相容性，由于其转速低、轴向尺寸小被应用于心室辅助装置。然而，血液本身是一个非常复杂的非牛顿流体，把血液看成单相流体不利于弄清红细胞在离心血泵内的分布规律，同时也没有考虑红细胞对流场的影响。为了弄清血泵流场的分布规律，且又不过多增加数值仿真的计算量，通过将血浆定义为液相、红细胞定义为固相，采用混合物模型（Mixture），基于计算流体力学进行模拟仿真，探讨磁悬浮离心式血泵多相流流场分布规律。研究结果表明，在工作转速（n=3600r/min），进口流量为6L/min的工况下，磁悬浮离心血泵可以满足人体生理需求，具有较好的机械效率，该研究为弄清血泵多相流流场提供了数值仿真支撑。     

磁悬浮分子泵高速转子章动相位裕度跟踪补偿控制

针对磁悬浮分子泵转子在高速运转时章动模态造成的失稳问题,提出一种基于交叉反馈的章动相位裕度跟踪补偿控制方法。利用磁悬浮转子系统的复系数建模方法,定量分析闭环控制作用下扁平转子的阻尼章动频率,确立章动频率与控制系统参数及转速间的解析关系,设计自适应滤波器跟踪提取章动频率信号,应用于交叉反馈的章动控制通道,实现全转速范围内对章动相位裕度的跟踪补偿控制。仿真结果表明,章动频率解算精确,基于交叉反馈的章动模态控制方法可有效解决磁悬浮高速转子全转速范围内的章动模态稳定控制问题。最后,将所提方法应用于所研制的大抽速磁悬浮分子泵控制系统,章动模态振动幅值被抑制在-60 d B以下,消除了章动模态对控制系统稳定性的影响,确保了磁悬浮分子泵长期可靠运行。     

3D打印左心室磁悬浮辅助泵的应用与研究

通过CAD软件完成了左心室磁悬浮辅助泵的整体结构设计,利用计算流体动力学的方法对自主研发的左心室磁悬浮辅助泵进行数值模拟研究,根据实际工作状况对叶片承受的最大剪切应力、压力及血流流场的分布情况进行分析,结果显示:叶片最大剪切应力符合生物力学性能要求,叶片底面压力分布均匀,血流流迹没有出现涡流或回流的现象。应用3D打印技术对装配部件进行快速制造,系统调试并实验研究了左心室磁悬浮辅助泵的体外工作状况,为今后左心室磁悬浮辅助泵的优化设计及相关流体动力学实验提供了参考依据。     

泵—水轮机转轮内部泵工况含沙紊流分析及腐蚀预测

本文基于Ｎ－Ｓ方程和两相紊流的Ｋ－Ｅ－Ａｐ模型，采用贴体座标系和交错网格系统，对泵－水轮机转轮内部泵工况含沙两相紊流进行三维数值模拟。对于设计工况和偏离设计工况分别分析其两相紊流特性，得出了转轮内部流场、压力场的分布。并基于颗粒相速度分布用实验模型预测了磨蚀率。     

离心泵内部三维流场的试验研究

利用五孔球形测针仪对离心泵内部三维流场的速度、压力进行了试验研究,初步得出了内部流场主要特征和分布规律。为进一步探索泵内部三维流场的其它参数及泵的设计提供了理论依据。     

喷水推进器斜流泵级的性能预测研究

使用商用CFD软件NUMECA研究了喷水推进器斜流泵级的性能和内部三维紊流流场。采用结构网格对全流道区域进行剖分，选用k-ε双方程紊流模型，使用时间推进法计算流场中的各流动参数。并根据流场计算结果对泵级的流量-扬程特性和流量-效率特性进行了预测，试验测试和计算结果相一致，说明该计算方法具有较好的可信度及较高的计算精度。