模型血泵相似性设计及验证

　　微型血液泵是一种能够部分或全部替代人体心脏泵机能的机械辅助循环装置,在提高心衰等心血管疾病的治疗水平、降低心血管病人的死亡率、提高治愈率和改善病人的生活质量等方面起着非常重要的作用.

　　轴流式和离心式血泵是通过高速旋转使血液流体获得动能和压力的,因此这种血泵对血液存在着潜在的损害[1-2].研究发现:溶血往往产生在高切应力作用区域和血液运动方向突然发生改变的泵壳区;血栓则常常在低流速区和回流停滞区形成.因此,为了设计一个运转性能良好,没有溶血和血栓产生的旋转驱动式血泵,常常需要借助原型实验、模型实验或数值模拟对血泵的流场和运行特性进行研究,而原型实验和模型实验常常又比数值模拟更令人信服.由于血液的快速凝固性和不透明性[3-6]等原因,使血液不便用于人工心脏和人体主动脉血管等大容量的流体观测实验或存储.因此,目前利用原型泵和模型泵进行实验的一些研究学者中除Akamat-su[7]曾经采用血液流体进行过实验研究外,绝大部分学者多采用水、水和甘油混合液或空气[8-9]等流体作为实验工质.采用这些工质进行实验研究为血泵叶轮、叶片、涡壳等部件的优化设计提供了一定帮助.但是,血液流变特性表明,血液是非牛顿流体,具有微弱的黏弹性.Akamatsu[7]用血液和水甘油混合液实验发现,血液的水力特性曲线高于水和甘油混合液的水力特性曲线;Miklosovic[6]用水和黄原胶溶液分别模拟原型泵,发现在满足相似条件下,黄原胶溶液的相似特性曲线低于水的相似特性曲线,最大影响可达10%左右,而若要使黄原胶溶液的特性曲线与水的特性曲线重合,则水和黄原胶流体在泵中的旋转速度对应的临界雷诺数比值将达到2·5;Chua[8]的实验结果表明,在模型泵的转速达到与原型泵工作点相似的转速时,虽然模型泵各转速的归一化特性曲线与原型泵的归一化特性曲线总的趋势一致,但彼此并不重合.

　　鉴于上述情况,作者根据叶片泵的相似准则,以日本的磁悬浮离心式血泵[7]为原型,设计制作了放大2倍的模型泵,并采用不同流体对泵的相似性进行了实验验证.

　　1　实验回路及模型泵设计制作

　　模型泵实验回路系统(见图1)由水箱、内径为24 mm的有机玻璃进水管、内径为32 mm的出水管、血液泵、电机、HLP-A型分频计、直读式电磁流量计、DP1151型差压计及调节阀门等组成.差压计通过818HG型数据采集板与计算机连接,采样频率为1 kHz,采样时间为1 s.

　　模型泵以日本的磁悬浮离心式血泵[7]为原型,以水和黄原胶溶液作为实验工质.模型泵相似设计基于下述3个相似律(雷诺数相等、归一化流量相等和归一化扬程相等)