后导轮导叶对轴流血泵流动特性影响的研究

　　心室辅助装置(VAD)是用来部分或全部替代心脏的血泵功能,维持全身循环状态良好的机械装置。其目的[1]之一就是改善心脏功能不全病人的循环状态,维持全身组织的正常循环。在目前心脏移植医疗费用巨大且缺少心脏供体的前提下,研制人工心脏成为解决这一难题的又一途径。目前已在临床应用的有轴流泵Hemopump,离心泵Biomedicus、Sarns-Cent-rmi ed。轴流泵相对于离心泵能量轴向传输,能耗更低;体积更小,重量轻,植入损伤小,手术风险低;由于不是径向将血液甩出,所以溶血可以得到缓解。为了得到合理的输出压力和输出流量,轴流泵必须有较高的转速,而高速旋转的叶片又会大量地破坏血液中的血细胞,特别是红细胞,而造成严重的溶血[2]。人工血泵的效率和能否产生足够的血液和压力,则直接决定于人工血泵中的流体流动[3]。因此,采用CFD技术,对轴流泵流场进行分析,对其结构进行优化,减少流场中的湍流、回流、死区及流动分离现象,使设计者以最迅速最经济的途径寻求提高血泵性能的设计方案。

　　作者利用计算机辅助设计Pro/E软件进行血泵的三维建模,并对血泵内流场采用计算流体力学(CFD)进行数值模拟。数值模拟采用非定常的三维N-S方程和基于非结构网格的有限体积法以及k-ε湍流模型。通过分析血泵内流场,对血泵后导流叶片对整个流场的影响进行了研究。

　　1　轴流血泵及其设计参数

　　1·1　锥形轴流血泵的结构

　　图1为所设计锥形轴流血泵模型,血液从右侧入口进入泵,依次经过进口导叶、转子叶轮以及出口导叶,最终由左侧出口流出。入口导叶与出口导叶均为4片均布,且与泵轴线成某一角度,转子叶轮为3片均布,叶片厚均为1mm。

　　1·2　计算模型、网格划分及边界条件

　　将血泵流场分为3部分构建,分别为:入口及入口导叶部分、转子部分和出口及出口导叶部分。通过布尔减运算,得到计算所需流场。在CFD前处理软件Gambit中用四面体非结构网格对模型进行网格划分,网格单元数目为398 548。

　　进出口设为压力边界条件,其值设为0。转子部分设为“MovingReference Frame”,转子叶轮形成表面设为旋转边界。转动部分与静止部分衔接面都设为“interface”,这样就可以在三者间传递数据。其他壁面定义为无滑固壁边界。血液密度为1 055 kg/m3,黏度为0·003 5 Pa·s。

　　1·3　计算收敛准则

　　按一般的计算精度,当速度、湍流动能、湍流耗散率以及连续性的残差小于10-5时,即认为计算达到收敛要求。

　　2　数值计算结果及分析