（机械电子工程专业论文）植入轴流血泵环空流场分析与结构优化.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：冱签日期：上吐l 年月血日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：磕导师签名造日期： 塑丝年月卫日 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c f d 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s t a n d a r d k 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f l u e n t 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c f d 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。 关键词：轴流血泵，环空流动，流场分析，结构优化 i 本研究得到国家自然科学基金( 编号：5 0 8 7 5 2 6 6 ，5 1 0 7 5 4 0 3 ) 资助。 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et r e a t m e n t so ft e r m i n a lh e a r tf a i l u r eh a v eb e c o m e e n o r m o u sc h a l l e n g e so fc a r d i o v a s c u l a rm e d i c a la n ds u r g i c a l e l i n i c b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n so fm e d i c a t i o na n ds u r g e r y , a s w e l la st h e s h o r t a g e o fd o n o r sh e a r t ，t h ed e v e l o p m e n to fc a r d i a cm e c h a n i c a l c i r c u l a t o r ys u p p o r td e v i c e s ( a r t i f i c i a lh e a r t ) h a v e b e e n p r o m o t e d a r t i f i c i a lh e a r t sm a i n l yu s em i n i a t u r em e c h a n i c a lp u m pt or e p l a c ea n d h e l pt h eb l o o dp u m p i n g a m o n gt h e m ，a x i a lb l o o dp u m p w i t ht h e a d v a n t a g e s o f s i m p l es t r u c t u r e ，h i g he f f i c i e n c y , s m a l l s i z e ， e a s i l yi m p l a n t e d i nt h eh u m a nb o d yh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n do f a r t i f i c i a lh e a a t h eh e m o l y s i sm a y b eo c c u r r e di nt h eb l o o dp u m pb y v a r i o u sf a c t o r s t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt h ef l o wf i e l da n a l y s i so fa x i a l b l o o dp u m pf o rb l o o dp u m pt oc l i n i c a lu s eh a sag r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h ef l o wl a wo ft h eb l o o di nt h eb l o o dp u m pw a s s t u d i e d t h es i m u l a t i o na n a l y s i so nt h ep h y s i o l o g yf l o wf i e l di nb l o o d p u m ph a sb e e nc a r r i e do u tb yu s i n gc f dt e c h n o l o g y b a s e do nt h i s ，t h e s t r u c t u r eo fe x i s t i n gb l o o dp u m ph a sb e e n o p t i m i z e d t h es p e c i f i c w o r k sh a v eb e e ns h o w na sf o l l o w s ： 1 t h eb l o o df l o wm e c h a n i s mp e r f o r m a n c ei nab l o o dp u m ph a sb e e n s t u d i e d ，w h i c hb e l o n g st ot h ea n n u l a rh e l i c a lf l o w t h ee x p r e s s e so f v e l o c i t y ，f l u x ，p r e s s u r eg r a d i e n ta n dr h e o l o g i c a le q u a t i o na r ep r e s e n t e d t h eb l o o ds t a n d a r dke p s i l o nt u r b u l e n c em o d e le q u a t i o n sh a v eb e e n d e r i v e d t h em o v e m e n t so fs i n g l eb l o o dc e l l si nab l o o dp u m pf l o wh a v e b e e nr e s e a r c h e d a n dt h ee x p r e s s i o no ft h ea x i a la n dr a d i a lv e l o c i t yo f b l o o dc e l l sh a sb e e no b t a i n e d 2 t h ea x i a lf l o wb l o o dp u m pw a sd o n ei nv i t r of l u i de x p e r i m e n tb y u s i n gs p e e d f l o w p r e s s u r ee x p e r i m e n t a ls t a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a t ：帆e nt h eb l o o dp u m pe n t r a n c ep r e s s u r ei sl o w , t h e r ei s n t s i g n i f i c a n t e f f e c to nt h eo u t l e t p r e s s u r e a n df l o w ；w h e nt h eo u t l e t p r e s s u r ei sl a r g e r , t h ef l o wr a t eb e c o m e ss m a l l e ri nb l o o dp u m p t h e o u t l e tp r e s s u r ea n dt h ef l o wr a t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es p e e d f o rt h el i q u i dw i t hl a r g ev i s c o s i t y , t h eo u t l e tp r e s s u r ea n df l o wr a t ei s s m a l l a c c o r d i n gt ot h eh u m a nb o d yp h y s i o l o g yc o n d i t i o n ，t h es u i t a b l e e n t r a n c ep r e s s u r e ，o u t l e tp r e s s u r e ，r o t a t i n gs p e e da n df l o ws h o u l db e 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题来源与研究背景1 1 2 血泵的发展1 1 3 环空螺旋流的研究现状3 1 4 血泵流场的研究现状5 1 5 本论文的研究内容6 第二章轴流血泵内部血液的环空流动分析8 2 1 血液在血泵中环空流动的类型8 2 2 血液在血泵中环空螺旋流方程8 2 2 1 血液的本构方程与环空螺旋流的基本方程8 2 2 2 流体速度分布与压力梯度表达式推导1 2 2 2 3 轴流血泵的流变方程1 3 2 3 血液在血泵中s t a n d a r dk 方程15 2 3 1k 方程的推导1 6 2 3 2 方程推导1 6 2 3 3s t a n d a r dk 一方程l7 2 4 血泵中血细胞的运动1 7 2 5 本章小结2 0 第三章轴流血泵体外流体实验21 3 1 实验系统2 1 3 1 1 实验系统的设计21 3 2 2 实验仪器与试剂2 2 3 2 3 实验数据的采集2 3 3 2 实验过程及实验数据分析2 4 3 2 1 血泵入口压力与出口压力关系的实验2 4 3 2 2 血泵转速与流量压力关系的实验2 5 3 2 3 粘度与转速流量关系的实验2 6 3 2 4 仿真边界条件的确定实验2 7 3 3 本章小结2 8 第四章轴流血泵内部流场的数值模拟2 9 4 1f l u e n t 中ns 方程数值解法2 9 4 1 1 有限体积法2 9 4 1 2 离散方程的求解3 0 4 2 建模与网格的划分3 0 4 3c f d 仿真结果及分析3l 4 3 1 血液速度场分析31 4 3 2 血液应力场分析3 4 4 3 3 血液压力场分析3 7 4 3 4 血液湍流效应分析3 8 4 4 本章小结3 9 第五章轴流血泵的结构优化4 0 5 1 血泵结构参数对血泵流场的影响4 0 5 1 1 转子螺距对血泵流场的影响4 0 5 1 2 主体后导引流叶片数对血泵流场的影响4 6 5 1 3 前后导叶对血泵流场的影响4 8 5 2 血泵结构组合优化方案的确定5 0 5 3 优化后血泵叶轮c f d 仿真分析5 0 5 4 本章小结5 4 第六章全文总结与工作展望5 6 6 1 成果与结论5 6 6 2 研究工作展望5 7 参考文献5 8 致谢6 2 攻读硕士学位期间主要的研究成果6 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源与研究背景 本论文的课题来源于国家自然科学基金项目“基于血液机械损伤多因素耦合 机理的高速螺旋血泵结构优化研究”( 批准号：5 0 8 7 5 2 6 6 ) 和国家自然科学基金项 目“大间隙磁齿轮传动系统关键理论研究及应用 ( 批准号：5 1 0 7 5 4 0 3 ) 。 近年来，终末期心血管疾病的治疗已成为临床心血管医生所面临的巨大挑 战。药物和外科手术在心血管治疗上作用有限，心脏移植虽是一种有效的治疗方 法，但是供体心脏的数量远远小于心脏移植的受体。这些因素促进了心脏机械辅 助循环装置( 人工心脏) 的快速发展【l 吲。人工心脏是代替或辅助自然心脏泵血的人 造机械泵。具有结构简单、流量大、效率高、体积小、易植入人体等优点的轴流 血泵，已成为心脏机械辅助装置的发展趋势1 4 “】。从现有的医学临床结果来看， 人工心脏的并发症主要有：出血、血栓栓塞、感染、多器官功能衰竭及装置失功。 医务工作者和研究人员一直被血泵中血液机械损伤的问题困扰着。溶血问题影响 着轴流血泵走向医学临床。 中南大学云忠【7 j 对红细胞在高速螺旋血泵因固壁撞击、细胞膜内外压差过 大、剪切力过大、湍流效应等因素而导致溶血进行了研究。本课题在此基础上， 研究了血液在血泵中的环空螺旋流动：并结合血细胞的损伤机理，分析血液在血 泵中的流场；对血泵的结构进行优化。 1 2 血泵的发展 从发展历史来看，人工心脏可分为三阶段。 第一代是模拟自然心脏，产生搏动血流的瓣膜泵， 属于脉动式人工心脏，如气体驱动的容积式泵， 图1 1 为容积式血泵的原理图。这一阶段主要运 用仿生学原理研制人工心脏，探讨用机械辅助心 脏或代替自然心脏的可能性。容积血泵的缺点是 产品体积大，隔膜和阀等容易产生机械疲劳，效 率低，使用寿命短。现在仍有b a x t e rh e a n h c a r e 公司生产的n o v a c o r 等还在临床上使用；第二代 图卜1 容积式血泵原理图 为连续性血泵，可以产生非搏动连续血流，采用各种轴承的离心式或轴流式旋转 泵。经医学证明【8 1 ，维持肺循环并不一定需要脉动流，连续非搏动血流也能使人 体适应。由于连续性血泵比脉动性血泵体积小，结构简单，并发症几率小，国内 中南大学硕士学位论文第一章绪论 外许多学者开始转向小型连续性泵( 特别是轴流泵) 的研究，形成目前人工心脏 研究领域的主流【9 】；第三代的人工心脏是一种在驱动上采用电磁悬浮或永磁悬浮 技术的血泵，能够有效地减少溶血和血栓的发生，减少血泵的机械磨损【l 叭。 用人造装置来代替心脏的尝试在开始只是出于研究者的好奇，后来却发展成 为实际的需求。1 9 5 7 年美国w i l l i a mk o l f f 和t e t s u oa k u t s u 医生用聚氯乙烯血泵 植入小狗身上，存活了9 0 分钟，这是人类研制出心脏泵的首个案例】。d e i m i s 【1 2 】 与他的同事在1 9 6 1 年在心室辅助上应用体外循环的转子泵。1 9 6 3 年，s p e n c e r i 乃j 与合作者对患者的心脏辅助采用体外循环的转子泵。同年，d e b a k e r 进行了3 例 将容积式血泵植入体内的心室辅助【l4 1 。1 9 7 2 年，成功研制b i o m e d i c u s 离心泵， 8 0 年代初此泵被广泛地用于临床。1 9 8 2 年，d ev r i e s 等首次使用型号为j a r v i k 7 的装置进行了永久性全人工心脏植入术，使患者存活了l1 2 天，是世界上第一个 试图永久性植入人体的人工心脏，开创了全人工心脏的新里程碑【l 引。2 0 0 1 年， 美国将全人工心脏成功用于人体。2 0 0 4 年，c a r d i o w e s t 人工心脏获得美国食品与 药品管理聚的批准，成为世界上首个正式进入临床使用的人工心脏。目前，最有 代表性的血泵有j a r v i k 2 0 0 0 、 h e a r tm a t ei i 、m i c r om a t e d e b e k e v a d ( 如图1 2 ) 以及 b e r l i nh e a r ti n c o r 。 2 0 世纪8 0 年代，我国开始 血泵的研究。江苏大学，中国医 科大学，北京阜外心血管医院， 中南大学等单位都对血泵进行 了相关研究。1 9 8 4 年，钱坤喜 叶片中的永磁体 图卜2d e b a k e y 轴流血泵 教授开始研究血泵的可植入性，先后研制出了多种形式的血泵。心脏泵中的永磁 体悬浮轴承在静止或转速很低时，不能稳定旋转，达到某一临界值值，可以稳定 悬浮【1 6 】。李国荣等【1 7j 提出一种轴流式血泵，即将能够旋转的叶轮植入到主动脉 瓣的位置，叶轮通过旋转达到与机械传统瓣膜相同的效果。蔺嫦燕、李冰一等【l 8 】 先后研制了多种型号微型血泵：i 型植入式离心血泵是一种直叶式血泵，叶片数 为8 ，采用电动机直接驱动方式，并采用两个对称的滑动轴承来支撑血泵，目的 是避免结构复杂磁耦合驱动及密封中磁性流体对血液的污染问题；i i 型轴流式血 泵采用了一种新型的驱动方式磁耦合驱动。螺旋混流血泵( 如图1 3 ) 的叶轮 是逐渐增大的，结合了离心血泵和轴流血泵的双重特点，泵血效率高，溶血低。 中南大学【1 9 】以外磁场驱动轴流式血泵( 如图1 4 ) 为研究对象，完成了血泵的设计、 血液机械损伤、血液摩擦学等基础研究工作。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图卜3 蔺嫦燕螺：旋混流血泵叶轮 图卜4 中南大学设计的血泵 尽管我国心脏辅助循环装置研究有了一定的进展，与国外相比仍有不小的差 距，至今尚无商品化国产心脏辅助装置可供临床应用。但可以相信，经过不断的 努力，商品化的国产心脏辅助装置不久将会在我国出现，这必将推动我国心脏外 科、生物医学工程的发展，为抢救重症心脏病患者增添有力的武器。 1 3 环空螺旋流的研究现状 环空流动是指流体在两圆筒之间的流动。血液在血泵的流动为环空流，血液 环空流动规律的描述，对研究血泵的性能有着十分重要的意义。早在2 0 世纪4 0 年代就有研究者对流体在环空中的流动进行了研究，对环空流的研究一般集中在 c o u e t t e 流和p o i s e u i l l e 流这两种最简单的流动形式，仅几年来才开始对非牛顿流 体在环空的螺旋流动进行一系列的研究【2 。 1 9 8 5 年，n o r i y a s u 和m i s u h i r o t 2 1 j 研究了非牛顿流体在环空螺旋流的压力分 布。z i d a n 和h a s s a n 2 2 j 用近似的方法研究了粘弹性流体在偏心环空的流动，他们 的研究考虑c o u e t t e 流、p o i s e u i l l e 流和直线剪切流迭加时的情形，并给出迭加后 的速度场。但他们的研究在应用上受到了很大的限制，因为他们的研究是在流体 运动速度和环空内管转速趋零的条件下取得的。w a n 2 3 j 分析和研究了牛顿流体和 粘弹性流体在不规则环形空间的螺旋流动。e s c u d i e r 和g o u l d s o n 2 4 j 研究了在惯性 力的影响下，内管转速对牛顿流体环空螺旋流速度的影响，结果表明在内管速度 较大时，周向速度与轴向速度相互之间影响很大。e s c u d i e r 和o l i v e i r a 2 5j 等对非 牛顿流体环空螺旋流进行了求解，分析了内管转速对流体速度的影响。 翟应虎和刘希圣【2 6 j 对纯粘性流体在同轴圆柱环形空间内的螺旋流流场进行 了分析，得到了纯粘性流体螺旋流流场的排量及速度表达式；崔海清【2 7 】求解了在 圆管内幂律流体的螺旋流动；郑应人1 2 8 j 针对非粘性流体，从螺旋流的基本方程式 推导了刚性流动出现的条件，并引入了屈服因子到粘度函数，完成了宾汉流体螺 旋流场的数值计算；崔海清和张海桥【2 9 j 研究宾汉流体环空螺旋流的流动规律，并 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 给出了宾汉流体环空螺旋流的压降方程；李邦达、刘永建【3 0 3 3 】等对幂律流体偏心 环空螺旋流的流动规律进行研究，提出对偏心环空中幂律流体螺旋流流动状态可 以用稳定性参数来判别，探讨了幂律流体环空螺旋流流场分布，提出了计算幂律 环空螺旋流压降及流量的新方法，分析了影响压降及流量的因素。崔海清等人建 立了在双极坐标系下非牛顿流体环空螺旋流的控制方程，并用有限差分法对其求 解，分析了非牛顿流体环空螺旋流的速度分布，得出非牛顿流体偏心环空螺旋流 中存在二次流区【粥6 】。贺成才【3 7 。3 3 8 】提出利用线性化迭代法求解幂律流体环空螺 旋流的压力梯度及流场，避免了迭代发散的问题。以上研究都是从理论上研究对 环空中的流体进行研究，与实际应用结合的不是很强，且没有满足血液的卡森流 体进行环空螺旋流。 石建新，刘希圣【3 9 】等人于1 9 8 9 年理论分析宾汉流体螺旋流层流流场，对视粘 度分布、速度分布、雷诺数分布的表达式及排量和压耗的计算式进行了推导，这 些公式正确性通过实验得到证实；张海桥 4 0 训】对常用宾汉液体和幂律液体的石油 钻井液在环形空间中螺旋流的流动状态与流动规律进行了研究；又给出了环空螺 旋流的压降和流量计算方法，对不带屈服应力的幂律液体和带屈服应力的宾汉液 体在环空中螺旋流的流动规律进行研究；张景富 4 2 - 4 3 等人依据定向井偏心环空的 几何特点和宾汉流体力学基本原理，计算分析了宾汉流体在环空螺旋流流场中流 动特性，而且根据柱坐标系下流体质点运动方程，推导出了中幂律流体在环空螺 旋流流场中的速度函数、视粘度函数及流动压降的解析式，在此基础上对球形岩 屑颗粒在流场中的受力情况进行分析，建立幂律流体螺旋流视粘度函数的计算公 式，对不同绕流状态下颗粒上升、沉降速度公式进行了推导。张景富、李邦达1 4 4 j 结合宾汉流体本构方程，运用柱坐标系下流体质点运动微分方程，对宾汉流体在 同心环空螺旋流中压降、流量的计算公式进行了建立，推导出了定向环空中宾汉 流体螺旋流压降、流量计算公式；西南石油学院石油工程国家重点实验室1 4 5 4 6 j 利用把环空的三维流动简化环空薄层内的二维流动，近似求得了环空螺旋流速度 的解析解。蒋世全、施太和1 4 7 】模拟了泥浆和水泥浆在套管旋流器中螺旋衰减的速 度场，并用超声波测试了泥浆环空螺旋衰减的速度场，研究泥浆在套管旋流器的 速度场衰减机理，表明数值模拟与实验测试结果趋于一致。西安交通大学动力工 程多相流国家重点实验室考虑小井眼钻井的实际情况，分析和研究钻井水力参 数；应用非牛顿流体力学的基本原理建立环空螺旋流模型，计算环空螺旋流的压 耗，研究了小井眼环空螺旋中的压力损失1 4 8 j 。以上学者的研究大部分都是针对钻 井与水泥输送机来研究环空螺旋的，研究的流体与血液有所不同。 云忠【4 9 】研究了血液在低剪变率及高剪变率条件下的环空螺旋流动性能，推导 出速度及流量表达式，对不同流态下各参数影响血液螺旋流动性能的进行了分 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 析，得出环空血液螺旋流动规律。云忠在高剪变率下，将血液近似于牛顿流体， 而低剪变率下类似于非牛顿流体来进行分析的，而本文直接用卡森流体的本构方 程来推导血液环空螺旋流的速度、流量与压力梯度的方程。 1 4 血泵流场的研究现状 血泵的流场是指血泵在泵血的过程中，满足人体生理需求的血液运动的空间 区域，其中包括速度场、压力场、应力场及湍流效应等。通过分析血液在血泵中 流场性能，优化血泵的结构和叶轮形状，改进血泵的内部流体力学特性，尽量避 免血泵流场中回流、滞留及流动分离的现象1 5 ，可以提高血泵与血液相容性，减 少血细胞在血泵中流动的机械损伤，降低溶血的发生几率。 c h e u n g - h w ah s u ”】运用有限体积方法求解全三维n a v i e r s t o k e s 方程和k - e 湍流方程，对泵端间隙泄漏及由此产生的二次流动进行了计算。新加坡南洋技 术大学利用c f x 软件对5 种不同的叶片结构血泵进行分析，血泵叶片结构是 流线型可以改善流场的流动形式。韩国首尔国家大学在2 0 0 3 年发表了一篇题为 心肺旁路辅助的磁悬浮式的离心血泵。并进行了c f d 分析和试验的研究证明这 一系统适合临床应用p 2 j 。 江苏大学的钱坤喜仿真模拟了商业血泵b i o p u m p 的流场【5 引，此血泵是一种基 于流线型设计的直叶片且驱动为无源磁浮叶轮血泵。并得出结论：血泵内部的压 力场和绝对速度场的分布，与理论研究基本吻合；血泵的相对速度场有局部的滞 流和重复循环及流动分离现象。此现象与直叶片叶轮泵在流动可视化实验中所得 到结果大致相符；侯晓彤等【5 4 彤】仿真分析了x z i i 型血泵的流场，研究表明：在 叶轮入口、叶轮与导流叶片连接端面和叶片周围区域剪切力较高，血细胞易产生 剪切损伤；且叶轮出口处有明显的流动分离，血细胞易发生湍流损伤。赵春章等 5 6 1 应用c f d 技术分析了可植入式微型轴流血泵流场，得到了满足要求的扬程曲 线。仿真结果表明：血泵的导流叶片对血液流动特性及出口压力有较大影响：血 泵的导流叶片能有效减少血液速度环量，改善血液流动状态，减少涡流损失：张 宝宁等【5 7 】应用c f d 技术仿真分析了某型血泵叶片流道间流场。研究结果表明，血 泵中血液有流动分离的现象，导致血液升压下降和血细胞机械损伤增加，对血泵 的进口及叶片角度的变化以及小叶片的安装位置都有很高的要求。高殿荣k 酬应用 计算流体力学中非定长三维n s 方程，计算和分析旋转叶轮转速和锥度变化对血 泵流场的影响，结果表明，锥形螺旋轴流血泵转速与锥度都不应过大，否则将使 得流场变得紊乱，转速过大，泵的性能会降低，锥度过大，不能保证流场平稳。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本论文的研究内容 综上所述，从容积泵到永磁悬浮的旋转血泵，国内外血泵技术的研究已有 了很多成果。但是，我国在血泵的研究上与国外相比仍有不小的差距，至今尚没 有商品化血泵可供临床应用。 目前国内外对环空螺旋流动的研究一般以钻井设备与水泥输送机为研究对 象，主要考虑牛顿流体和宾汉流体、幂律流体等非牛顿流体在同心与偏心环形中 的流动，研究的流体和血液差别较大。而对于旋转式血泵内的流场情况，现在大 部分学者都采用牛顿流体湍流模型来进行研究，对非牛顿流体湍流模型的研究很 少，已有的测量结果表明，非牛顿流体对血泵流场性能的影响比较显著【5 9 1 。 由于受到加工手段和实验成本的限制，在血泵的优化设计中大量采用了c f d 等技术手段，但一般仅限于血泵压流特性的仿真，对于血液损伤仅考虑了剪切应 力对红细胞破裂的影响，缺乏相应的理论支撑和实验验证，且没有考虑撞击、压 差、湍流等其他因素对血液指标的影响。中南大学的云忠【_ 7 j 提出了血液机械损伤 的概念，并进行了相应机理研究，但其仿真及结构优化仅限于血泵叶轮，没有对 血泵全流域进行仿真，且缺乏对包括前后导叶在内的血泵全结构进行优化。 本论文的研究目标为：运用血液作为卡森流体的本构方程，研究血液在血泵 中的环空螺旋流动性能；根据血液机械损伤的机理，对血液在血泵内的流场进行 全流域仿真分析；对血泵的叶轮、导叶等结构进行比较优化，设计出一种满足人 体需求的植入式轴流血泵。 论文研究的主要内容如下： 1 在环空螺旋流动基本方程的基础上，推导血液在血泵中的速度、流量和 压力梯度的表达式；推导血液湍流模型s t a n d a r dk e 方程的表达式；分析血细胞 在血泵中的流动。 2 通过搭建的实验台，测试血泵入口压力对出口压力与流量的影响、血泵 出口压力与流量的关系、转速与粘度对出口压力与流量的影响，根据各条件要满 足人体生理需求，选择合适的数值作为仿真分析的边界条件。 3 根据血细胞机械损伤机理，采用非结构化网格，并对叶轮周围的网格进 行加密，仿真分析血液在血泵中的全流场，研究了前后导叶对流场性能的影响， 找出血泵中存在溶血概率大的区域，为血泵结构优化提供依据。 4 对不同螺距、不同引流叶片数与不同前后导叶的血泵进行仿真，分析比 较不同结构对血液机械损伤的影响，选择既满足血泵泵血要求且血液机械损伤程 度较小的血泵结构。 论文的研究方法及技术路线如图1 5 所示。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 5 论文研究的技术路线 7 中南大学硕士学位论文第二章轴流血泵内部血液的环空流动分析 第二章轴流血泵内部血液的环空流动分析 影响血泵生物相容性的重要因素是血栓和溶血。研究血液在血泵中流动性 能，对解决溶血和血栓问题极为重要，可以为血泵结构优化提供理论基础。本章 分析了血液在血泵中环空流动类型，运用卡森流体的本构方程，结合环空螺旋流 的基本方程，推导出了血液的速度、流量、压力梯度的表达式；分析了血液在轴 流血泵中的流变方程；推导了血液湍流模型的s t a n d a r dl r 方程；分析了红细 胞在血泵中的流动。 2 1 血液在血泵中环空流动的类型 本文所研究的轴流血泵是一种螺旋泵。螺旋泵可以简化为两圆柱之间的旋转 来分析内部液体的流场 6 0 l 。在本研究中，假设螺旋血泵旋转为两同心圆管的旋转， 血液的流动为在环形空间的流动。 当流体处于两个同心的圆管构成的环空中，环空外圆管以角速度f 2l 、内圆 管以恒定的角速度q2 绕轴线转动，在流体上有一个平行于环空轴线的压力梯度 p 作用时，流体在环空中的流动可以分3 种情况： ( 1 ) 当ql = q2 = o ，p = = o 时，流体在环空中发生p o i s e u i l l e 流动。在p o i s e u l l e 流动中，流体质点做直线运动，方向平行于环空内、外管轴线。 ( 2 ) 当ql = 0 ，q 2 0 ，p = o 时，流体在环空中发生c o u e t t e 流动，在c o u e t t e 流动中，流体质点做圆周运动，方向垂直于环空内、外管轴线。 ( 3 ) 当ql = 0 ，ql 0 ，p ：= o 时，流体在环空中发生螺旋流动。流体质点的 运动既有轴线运动又有圆周运动。 血液在血泵中的流动属于第( 3 ) 种情况。 2 2 血液在血泵中环空螺旋流方程 2 2 1 血液的本构方程与环空螺旋流的基本方程 如图1 ，对环形螺旋流取圆柱坐标系( ，幺z ) ，h _ z 轴与流道中心轴线重合。 考虑到流动关于秒对称，液体质点速度v 的三个分量为： v ，= 0 l v 口= 厂国( 厂) v z = v z ( 厂) = 甜( 厂) i 中南大学硕士学位论文 第二章轴流血泵内部血液的环空流动分析 图2 - 1 环形螺旋流流场及坐系 其中，( r ) 为流体质点的旋转角速度；u ( r ) 为流体质点的轴向运动速度。非午顿 流体螺旋流的本构方程为： 丁= 叩( i i ) a 1 ( 2 1 ) 式中，t 是偏应力张量，a i 为一阶融v i l i n 张量；刁( i i ) 为卡森视粘度函数，i i 为a l 的第2 不变量。 严 ，警 雾 a b ，丝 o ol ( 2 2 ) l 争。j u = l i r a 2 + l i a r ) 2l 2 亿3 ， 当血泵旋转时，其周围环形空间中的血液既有轴向运动又有周向运动，因此， 对于在高z ，半径r 的一层流体上的任一点都具有轴向、周向和径向速度分量“：、 、u r 以及轴向、周向和径向切应力分量彳加、f 坩、f 。 圆柱坐标系下r 、o 、z 方向的运动方程为1 1 ： 鲁等+ 等等一等+ 也等2 亿4 、 + 吉c 争+ 鲁+ 誓+ 气， 一 鲁警+ 等等+ 半托警2 亿5 1 厶