轴流式血泵内部流场和生物相容性的数值分析

　　作为治疗充血性心衰等心血管疾病的一种有效辅助手段,心室辅助装置可暂时甚至长期代替自然心脏完成体内血液循环,其核心部件就是血泵[1].血泵按工作原理可分为容积泵和叶轮泵,其中轴流式叶轮泵由于体积小,结构紧凑,适合高流量、低压头的工况,正受到越来越多研究者的关注[2O10],然而由于起步较晚,目前国内的相关研究较少.

　　生物相容性是血泵设计的首要原则,其中血栓和溶血是两大主要问题,前者由流动的停滞引起,而后者则主要与切应力有关.在早期使用普通机械轴承的血泵中,动静部件不可避免地存在摩擦,因而会产生严重的溶血和血栓现象[2O3].同时,流场存在的滞止区和高切应力区也会对血液产生此类的破坏. 使用磁悬浮轴承可以避免动静部件间的接触摩擦[4O6],但是由于轴流泵转子本身结构所限,不容易实现转子的悬浮,且转子的细长形状也使得其转动稳定性不高.因此,有必要寻找一种合适的泵体结构和磁轴承形式,以实现轴流泵的稳定悬浮.轴流泵转子与泵壳间存在狭缝,极易形成滞止区,滞止区是血栓的易发区,保证上述狭缝内有良好的血液循环至关重要.同时,恰当设计血泵内部流场,消除高剪切应力区,可以减缓或降低溶血现象发生的几率.

　　本文介绍了西安交通大学设计的一种使用圆锥型磁悬浮轴承的轴流式血泵(见图1),仅两个磁轴承即可实现转子的稳定悬浮,所采用的圆锥型磁轴承正在研制之中.作者通过商业软件FLUENT对该血泵内的流场进行了数值模拟,依据生物相容性要求对泵的结构进行了改进,对血泵的生物相容性进行了分析.

　　1　血泵结构

　　如图1所示,血泵转子由一个细长轴和螺旋型叶片镶嵌在圆柱状的转子磁钢内部组成,静止部分包括泵壳、电机定子和轴承定子.为使结构简单紧凑,直流无刷电机与泵做成一体化结构.将叶片布置于柱面磁钢的内部,增大了转子的转动惯量,以提高转动的稳定性.转子磁钢与泵壳之间的狭缝尺寸定为0·5 mm,以保证足够强的磁耦合.血泵的进出口内径为20 mm,泵壳最大直径为40 mm,长度为90mm.

　　血泵内由入口经叶片至出口的空间是流体的主要流动通道,称为一次流道.因为血泵在运行时出口的压强高于入口的压强,可以预计狭缝内的流动将由出口端指向入口端,即与一次流道内的流动方向相反(如图中箭头所示),称为二次流道.二次流道内的流动可以对狭缝产生冲刷作用,避免了流体的停滞,也就避免了狭缝内血栓的产生.

　　2　数值模拟

　　2·1　数值模型

　　利用大型商业计算软件FLUENT对血泵内部流场进行了模拟,网格采用结构化与非结构化相混合的多块网格.在建立数值模型时,特别在泵入口前和出口后各增加了80 mm长的直管段以研究这两部分的流动情况.为了详细研究二次流道内的流动情况,并考虑到近壁面模拟的需要,特别将此0·5mm宽度的狭缝划分为13层结构化网格.Huang[11]和Ng[12]的研究表明,当剪切率高于100 s-1时,可以忽略血液的非牛顿特性而将其作为牛顿流体对待.本文中也采用了这一假设,血液的牛顿黏度和密度分别为μ=3·6 mPa·s和ρ=1·055×103kg/m3·湍流模型使用kOε模型.近壁面处的处理采用