锥形螺旋叶轮血泵全流场三维数值模拟与分析

　　0　引言

　　如今,心血管疾病已成为导致人类死亡的主要原因。尽管心脏移植是治疗重危心脏病患者最有效的手段,且心脏移植手术已经取得了很大成功,但由于等待心脏移植受体的数量远远大于供体,导致每年都有很多患者在等待心脏移植中死亡。左心室辅助装置是解决这一问题的主要手段。左心室辅助装置的主体是血泵,它能够将左心的血液引流到泵内再注入到主动脉系统,从而减轻左心室负担,起到部分或完全代替自然心脏的功能,维持正常的人体血液循环。这对于挽救心脏病患者,特别是等待移植的严重心脏病患者的生命,使他们能够过渡到恢复心脏功能或心脏移植手术阶段,具有特别重要的意义。

　　血泵的研究已有40多年的历史了。长期以来,人们一直在致力于解决血泵在实际应用中存在的一些问题,如及叶轮和流道中不符合血液生理学流动而引起的溶血和血栓等。国内外有很多学者和研究人员已经用数值计算和试验的方法来分析和研究血泵流场,以便解决溶血和血栓问题。如Z.J.WU等[1]用油滴方法及片光粒子跟踪方法对混流式血泵内部流体动力学特性进行了研究,对运行条件以及叶轮的设计对内部流体动力学性质及水力特性的影响进行了分析。研究表明与粘性相关的二次流和顶端泄漏主要取决于运行工况及几何结构,更重要的是,当运行在低流量的条件下,在叶片的吸力面观察到回油及滞止区。研究认为,叶片缠绕的越长,虽然可使压力升高,但会使低流量工况下的流动极不稳定。侯晓彤等[2]运用CFD技术对XZ-型血泵的流场进行了数值计算和分析。结果显示,在叶轮入口,叶轮的端面和叶轮与导流叶片间,有较大的剪切率产生,且后者引起流动分离,从而影响了出口流速及流动得稳定性。蔺嫦燕等[3]采用计算机辅助设计工具(CAD)设计XZ-型血泵,并用CFD方法对泵内流场进行了分析,研究表明叶轮内部、叶轮与导叶片连接部分、出口导叶片内部流场均不稳定,容易出现涡流和流动滞止,容易形成血栓;叶轮与出口导叶片连接端面以及叶轮内部剪切力较高容易产生溶血。赵春章等[4]应用CFD技术对可植入式微型轴流血泵流场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分析,对导叶片的作用及其对内部流场、扬程的影响进行了探讨,认为血泵的导流叶片对流动特行及扬程有较大影响,通过导流叶片能有效降低速度环量,改善流动状态并将部分动能变为压力能,减少涡流损失。张宝宁等[5]应用计算机求解三维Navier-Stokes方程,对某型血泵叶片流道间内部流场进行了数值仿真。研究分析结果表明,血泵中流体具有非常复杂的流动情况。要避免流动分离造成流体升压下降和血细胞破坏,对通道的进口及小叶片的安装位置以及叶片角度的变化都提出了很高的要求。Cheung-Hwa Hsu[6]运用有限体积方法求解全三维Navier-Stokes方程和k-ε湍流方程,计算了泵端间隙泄漏及由此产生的二次流动。这二次流动会对流动损失产生重要影响。王芳群等[7]从Navier-Stokes方程组出发,阐述了CFD的原理、方法和特点。分析了它在人体器官设计中的应用现状和重要作用。新加坡南洋工业大学的S.C.M.Yu等人[8]对磁悬浮离心血泵的叶轮形状对血泵性能的影响进行了数值计算研究。他们认为血栓通常出现在叶轮与涡壳之间的狭窄缝隙中。尽管大一些的叶轮与涡壳之间的间隙可以诱发间隙中更多的回流从而减小血栓的形成,但却会导致较低的泵效率。而叶轮与涡壳之间太小的间隙则会产生很高的剪切应力从而在间隙中导致溶血。使用流动可视化和计算流体力学方法可以从实验上和数值计算上分析研究叶轮流道内的任何回流区和死区,为设计和选择合理的叶片数和流道形状提供依据,以减小溶血和血栓。