劉曉軍，楊俊培，黃碧娟，劉莉

中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢 430074

應(yīng)用多相流技術(shù)探究離心式血泵的性能

劉曉軍，楊俊培，黃碧娟，劉莉

中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢 430074

目的 應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)多相流分析技術(shù)，探究不同結(jié)構(gòu)對(duì)血泵性能的影響。方法 設(shè)計(jì)2種不同結(jié)構(gòu)的離心式血泵，引入CED軟件中的Interface概念，相同工況下，進(jìn)行多相流模擬，通過流場(chǎng)的速度矢量分布、剪切應(yīng)力云圖等分析血泵的水力性能和溶血性能。結(jié)果 流量Q=6.24 L/min，供壓100 mmHg工況下，12只斜直葉片（XZ）結(jié)構(gòu)的血泵轉(zhuǎn)速為1950 rpm＜8只流線型葉片（L）結(jié)構(gòu)的2082 rpm。2種結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)情況良好，結(jié)構(gòu)L內(nèi)部最大速度6.33 m/s＞XZ結(jié)構(gòu)的5.44 m/s。XZ和L結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力＞150 Pa的區(qū)域分別為0.0022％和0.2060％。結(jié)論 XZ結(jié)構(gòu)的血泵在水力性能和溶血性能上均有較好的表現(xiàn)，簡(jiǎn)單圓弧流線型葉片在降速和減壓方面需進(jìn)一步改進(jìn)。

離心式血泵；計(jì)算流體力學(xué)；多相流分析；流動(dòng)特性；溶血分析；計(jì)算機(jī)仿真

0 前言

目前心臟疾病已經(jīng)成為威脅人類健康的主要疾病之一，據(jù)世界衛(wèi)生組織相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前約30％的人患有血管疾病和心臟病，且這個(gè)數(shù)字仍在不斷增大。隨著醫(yī)學(xué)水平不斷提高，心臟移植手術(shù)也日趨成熟，但是由于心臟供體的缺乏，在移植手術(shù)等待期間，仍需要體外循環(huán)裝置進(jìn)行輔助[1]。

經(jīng)過長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的研究，容積式隔膜血泵已經(jīng)逐步應(yīng)用于臨床，但由于其結(jié)構(gòu)限制，很多缺點(diǎn)難以克服。因此，人們開始研究體積小、可植入的旋轉(zhuǎn)葉片泵。由于葉片泵是平流泵，與人的搏動(dòng)血流不同，在研究葉片式血泵之初，人們一直廣泛地探討平流血對(duì)人體生理狀態(tài)的影響。醫(yī)學(xué)已經(jīng)證明，與自然心臟搏動(dòng)性血流不同的非搏動(dòng)性血流，同樣適用于人體。1977年，Nose等發(fā)現(xiàn)，如果使用平流泵泵出的血流量比所需搏動(dòng)血泵流量大20％時(shí)，將不會(huì)發(fā)生異常的生理循環(huán)。根據(jù)血液流出方向的不同，葉片式血泵分為離心式血泵和軸流式血泵。它們的工作原理與普通的水泵相似，均是通過葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，使葉片對(duì)血液產(chǎn)生動(dòng)力作用，并形成血液流動(dòng)的動(dòng)脈壓，顯然，壓力的大小取決于葉輪的轉(zhuǎn)速，一般情況下，轉(zhuǎn)速越高則所形成的動(dòng)脈壓也越高。

血泵作為輔助循環(huán)裝置的核心部件，性能的優(yōu)劣對(duì)病人的健康至關(guān)重要。溶血問題一直是衡量血泵性能的重要指標(biāo)，國內(nèi)外許多研究者對(duì)這一問題做了多方面的研究。研究表明，血泵內(nèi)部流場(chǎng)形態(tài)產(chǎn)生的高剪切力是導(dǎo)致血液溶血的重要因素，因此研究血泵內(nèi)部的流動(dòng)特性將成為解決溶血問題的關(guān)鍵。近年，隨著數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）[2-3]已被廣泛應(yīng)用于輔助設(shè)計(jì)血泵，主要用來分析血泵內(nèi)部的流場(chǎng)特性，通過流場(chǎng)的可視化，探究易出現(xiàn)血栓和溶血的位置，并做出相應(yīng)的優(yōu)化。

然而，由于血液自身復(fù)雜的特性，對(duì)血泵內(nèi)血液流動(dòng)進(jìn)行精確的模擬是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。以往的數(shù)值模擬工作往往將血液近似等同為牛頓流體[4]，也多不考慮血液為混合物的特性，因此，模擬的結(jié)果并不能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。鑒于此，本文在這方面做出改進(jìn)，合理地引進(jìn)CED軟件中的Interface概念，使模擬流動(dòng)與實(shí)際流動(dòng)更近似，另外在血液特性的處理上，也兼顧了血液為非牛頓流體和混合物兩方面。采用CFD軟件FLUENT14.0，對(duì)2種不同結(jié)構(gòu)的離心式血泵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，評(píng)估了2種血泵的水力性能和溶血性能，并給出了相應(yīng)的優(yōu)化意見。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值方法

1.1 不同結(jié)構(gòu)的離心式血泵設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的2種離心式血泵，整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的離心式血泵相仿[5-6]。圖1為運(yùn)用UG NX軟件[7]繪制的離心式血泵的整體結(jié)構(gòu)圖，2種血泵的進(jìn)出口、泵殼尺寸相同，血泵整體高35 mm，進(jìn)出口直徑分別為9.0和9.5 mm，徑向最大距離為58 mm，泵殼上表面傾斜角為25°。

圖1 離心式血泵的整體結(jié)構(gòu)

圖2為2種不同的葉輪結(jié)構(gòu)：12只斜直葉片（XZ）和8只流線型葉片（L），徑向最大直徑均為50 mm，高度均為13 mm，葉輪軸和支承盤的尺寸也相同，為了CFD劃分網(wǎng)格的方便，取圓角為1 mm。XZ（葉片角度為15°）和L葉輪血泵的容積分別為34.34和29.80 mL。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的葉輪

1.2 在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)

本研究在傳統(tǒng)離心式血泵的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了半圓形側(cè)壁的創(chuàng)新設(shè)計(jì)（圖1）。傳統(tǒng)血泵內(nèi)部空間相對(duì)狹小，葉輪若高速旋轉(zhuǎn)，會(huì)形成復(fù)雜的流動(dòng)，血液從更為狹小的相接區(qū)域（泵殼與出口管道相交處）流出，流動(dòng)情況將會(huì)變的尤為復(fù)雜，大大增加了血栓和溶血的產(chǎn)生。事實(shí)上，很多血泵最容易產(chǎn)生血栓和溶血的區(qū)域就在此處。半圓側(cè)壁的優(yōu)點(diǎn)在于增大了相接區(qū)域的面積，與垂直圓柱側(cè)壁相比，直徑相同的出口管道，半圓側(cè)壁的相接區(qū)域S=205 mm2，而垂直圓柱側(cè)壁S=143 mm2，面積增大了43.3％。圖3為圓柱側(cè)壁和半圓側(cè)壁的相接區(qū)域。

圖3 圓柱側(cè)壁和半圓側(cè)壁的相接區(qū)域圖

1.3 多相流模型[8]

由于血液自身的復(fù)雜特性，用簡(jiǎn)單的湍流模型模擬血泵內(nèi)血液流動(dòng)，并不能很好的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。要得到更精確的模擬結(jié)果，就需要尋求新的數(shù)值模擬方法，多相流分析技術(shù)就是一個(gè)合適的方法，它已被廣泛應(yīng)用于求解工程問題中的多相流動(dòng)。

血液由約55％的血漿和45％的血細(xì)胞組成，將血漿定義為液相，密度為1030 kg/m3，動(dòng)力粘度為0.0016 kg/ms；血細(xì)胞定義為直徑約7.7 μm的固相，密度為1090 kg/m3，動(dòng)力粘度為0.008 kg/ms[9]。應(yīng)用多相流分析中的mixture模型，進(jìn)行液固兩相流分析。求解血漿和血細(xì)胞混合相的連續(xù)方程、混合動(dòng)量方程、混合能量方程、第二相體積分?jǐn)?shù)方程，以及相對(duì)速度的代數(shù)表達(dá)。混合相的連續(xù)方程為：

1.4 Interface的引入

模擬條件與血泵內(nèi)部的實(shí)際流動(dòng)越相似，模擬結(jié)果就與實(shí)際越相符。對(duì)血泵內(nèi)血液的實(shí)際流動(dòng)做分析：血泵預(yù)充血后，電源啟動(dòng)，葉輪開始旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)血液高速旋轉(zhuǎn)，并很快達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，持續(xù)不斷地泵出血液。由此過程可知，血泵工作的初始條件主要是葉輪的旋轉(zhuǎn)，即葉輪旋轉(zhuǎn)所帶動(dòng)的流體域的旋轉(zhuǎn)。在劃分網(wǎng)格的過程中，為了最大程度地滿足這一初始條件，引入了Interface[10]，將從血泵入口到出口的整個(gè)大流體域通過Interface劃分成幾個(gè)相互連通的小流體域，迭代求解過程中，不同流體域交界處的網(wǎng)格單元通過Interface相互作用，最終完成整個(gè)流場(chǎng)的求解。Interface將葉輪包圍在里面，整個(gè)流體域被劃分為2部分，Interface里面隨葉輪旋轉(zhuǎn)的流體域和Interface與泵殼之間靜止的流體域（圖1）。

采用FLUENT前處理軟件ANSYS ICEM CFD劃分網(wǎng)格[11]，由于計(jì)算區(qū)域的結(jié)構(gòu)不規(guī)則且包含很多復(fù)雜曲面，故采用適用范圍更廣泛的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。經(jīng)過對(duì)比分析，相同的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格量為70多萬和110多萬的仿真結(jié)果相差很小，為了節(jié)省時(shí)間和精力，2種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格量保持在70萬以上。

1.5 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

進(jìn)口邊界條件選用速度進(jìn)口，進(jìn)口速度u可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的泵流量值Q直接求出（血泵正常工作時(shí)Q=6.24 L/min，進(jìn)口面積已知，則進(jìn)口速度u確定）；出口邊界條件選取壓力出口邊界條件，與流體接觸的所有壁面均采用無滑移固壁條件，近壁區(qū)選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法；同時(shí)將重力（-9.81 kg/m2）和大氣壓（101325 Pa）等因素考慮在內(nèi)。

多相流應(yīng)用mixture模型，湍流模型采用k～ε RNG[12]，運(yùn)有限體積法對(duì)上述基本方程進(jìn)行離散，使用隱式分離法對(duì)流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行三維定常計(jì)算，采用SIMPLEC算法的壓力-速度耦合方式[13]離式求解器，以欠松弛方式求解迭代過程，欠松弛因子設(shè)置為：壓力0.3，體積力1.0，密度1.0，動(dòng)量0.7，體積分?jǐn)?shù)0.5，湍動(dòng)能0.8，湍動(dòng)能耗散率0.8，假設(shè)血液為不可壓縮流體，密度和動(dòng)力粘度如上所述。收斂殘差設(shè)置為1e-9，經(jīng)過3000步迭代后趨于穩(wěn)定，各項(xiàng)殘差值均收斂于1e-6附近，收斂情況非常好。

2 結(jié)果與討論

2種結(jié)構(gòu)的血泵，假定其工作流量均為6.24 L/min，給定相同的進(jìn)出口邊界條件，轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為1800、1825、1900、1950、2000、2050、2080、2100 rpm，來模擬其在不同轉(zhuǎn)速工況下的水力和溶血性能。其中血泵的水力性能主要表現(xiàn)在進(jìn)出口壓差，溶血性能則體現(xiàn)在血泵內(nèi)部流場(chǎng)的各參數(shù)。

2.1 進(jìn)出口壓差分析

2種不同結(jié)構(gòu)的血泵在相同流量條件下（Q=6.24 L/min），轉(zhuǎn)速與進(jìn)出口壓差的關(guān)系，見表1。

表1 2種不同結(jié)構(gòu)的血泵在相同流量條件下轉(zhuǎn)速與進(jìn)出口壓差關(guān)系

血泵工作過程中，除了需要泵出一定流量（約Q=5 L/min）的血液，還必須提供必要的壓力以克服心室內(nèi)產(chǎn)生的后負(fù)壓[14]，這個(gè)壓力的大小因人而異，文中以100 mmHg為標(biāo)準(zhǔn)（本研究均為在該工況下2種血泵的流場(chǎng)特性，即XZ結(jié)構(gòu)1950 r/min工況，L結(jié)構(gòu)2082 r/min工況下）。相同流量下，從2種血泵轉(zhuǎn)速n與進(jìn)出口壓差P的X-Y圖中可知，P與n均大致成正比關(guān)系。產(chǎn)生100 mmHg壓差時(shí)的轉(zhuǎn)速關(guān)系為nXZ=1959 rpm＜nL=2082 rpm，即XZ結(jié)構(gòu)葉輪的供壓能力優(yōu)于L結(jié)構(gòu)，考慮到XZ結(jié)構(gòu)的葉片數(shù)為12，而L結(jié)構(gòu)為8，本文又分析了葉片數(shù)為8的XZ結(jié)構(gòu)血泵，將此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為XZ°，結(jié)果顯示，相同流量下，n=2082 rpm時(shí)，此種結(jié)構(gòu)的血泵產(chǎn)生的進(jìn)出口壓差為103.00 mmHg，同樣大于L結(jié)構(gòu)的99.68 mmHg。綜上所述，2種血泵的供壓能力關(guān)系為XZ＞L。

2.2 壓力分布分析

XZ和L結(jié)構(gòu)血泵內(nèi)部流場(chǎng)壓力分布見圖4，圖中顯示的主要為局部壓力較小或較大的區(qū)域。

圖4 血泵靜壓云圖

XZ和L結(jié)構(gòu)的靜壓范圍分別為-1.52×104～9.04×102Pa和-1.79×104～1.02×103Pa，最大正壓力均在950 Pa左右，且?guī)缀跞考杏诔隹诠艿捞?，這說明葉輪高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)換成了壓力能，起到了升壓的作用（圖4）。XZ結(jié)構(gòu)的最小負(fù)壓絕對(duì)值＜L結(jié)構(gòu)約2700 Pa，主要分布在與葉輪軸相近的區(qū)域，這里是靠近旋轉(zhuǎn)區(qū)域的中心，流體質(zhì)點(diǎn)的速度不大，更多的能量轉(zhuǎn)換為了壓力能。L結(jié)構(gòu)除了在葉輪軸附近產(chǎn)生低壓區(qū)，靠近出口管的長葉片吸水面，由于相對(duì)急劇的流動(dòng)環(huán)境，局部也產(chǎn)生了面積約為4.33 mm2的高負(fù)壓區(qū)（葉輪的總面積為4499.5 mm2）。血泵內(nèi)部高負(fù)壓區(qū)很容易形成血栓和溶血[15]，說明從壓力分布情況來看，L結(jié)構(gòu)的血泵，形成血栓和溶血的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)更大。

2.3 速度矢量分布

血泵內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布是衡量血泵性能的重要指標(biāo)，血流滯止區(qū)、二次流、回流等不良流動(dòng)都會(huì)大大加劇溶血和血栓的形成[16]。本文為了更好地分析內(nèi)部流場(chǎng)的速度矢量分布，截取了5個(gè)垂直于血泵軸向的截面（圖5）。

圖5 血泵的5個(gè)截面

對(duì)5個(gè)截面速度矢量圖進(jìn)行初步分析，2種結(jié)構(gòu)的血泵5個(gè)截面上流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)情況由section 5～section 1依次變好。整體分析，2種結(jié)構(gòu)的速度矢量分布良好，葉輪區(qū)域速度的大小與葉輪軸徑向距離成正比，并在葉輪徑向最大處達(dá)到最大，這與血泵的實(shí)際流動(dòng)情況相吻合，L結(jié)構(gòu)的最大速度為6.33 m/s，XZ結(jié)構(gòu)為5.44 m/s，相差近1 m/s。出口管道近壁處的速度＜管道中部，這是由于血液具有一定的粘性，阻礙作用在近壁處達(dá)到最大。血泵內(nèi)部較高的速度，會(huì)產(chǎn)生高剪切應(yīng)力，從而加大形成血栓與溶血的風(fēng)險(xiǎn)，因此，2種結(jié)構(gòu)在降低血液速度上需做一定的改進(jìn)。

選取2種結(jié)構(gòu)流動(dòng)情況最差的截面，圖6為XZ和L結(jié)構(gòu)section 4和section 5上局部速度矢量圖（僅截取了流動(dòng)情況最差的區(qū)域）。觀察2種結(jié)構(gòu)section 5上速度矢量圖，紅色橢圓區(qū)域均存在小范圍的回流、二次流[17-18]，L結(jié)構(gòu)甚至出現(xiàn)了滯止區(qū)，因此，這一區(qū)域?qū)?huì)成為血栓形成的危險(xiǎn)區(qū)域，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。但是從2種結(jié)構(gòu)section 4上的速度矢量圖知可，各種不良流動(dòng)現(xiàn)象已經(jīng)消失，這說明出水管道內(nèi)血流情況大部分區(qū)域是良好的，整體流動(dòng)比較理想，不過仍存在優(yōu)化的空間。

圖6 XZ和L結(jié)構(gòu)血泵sections 4～5局部速度矢量圖

2.4 各相體積分?jǐn)?shù)分布

多相流分析時(shí)，假定主相血漿和次相血細(xì)胞具有相同的速度，但是血液從進(jìn)口流入血泵到從出口流出的整個(gè)過程中，血泵各區(qū)域內(nèi)血漿與血細(xì)胞的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生了微小的變化。從2種結(jié)構(gòu)次相體積分?jǐn)?shù)分布圖得出，XZ和L結(jié)構(gòu)次相體積分?jǐn)?shù)變化范圍分別為0.4496～0.4502和0.4487～0.4512，且變化主要分布在葉輪區(qū)域，在葉片的壓水面體積分?jǐn)?shù)局部變大，吸水面則局部減小。這一發(fā)現(xiàn)表明，血液通過血泵的過程中，構(gòu)成它的組分在各個(gè)區(qū)域并不是均勻分布，在葉輪的作用下，作為固相的血細(xì)胞會(huì)在一定部位變密，而在另一部位稀釋。

2.5 剪切應(yīng)力分布與溶血分析

液體之間的剪切應(yīng)力非常小，因此，血泵的剪切應(yīng)力主要分布在血液與泵接觸的部分，即泵殼表面、葉輪表面和進(jìn)出口表面（圖7）。

圖7 2種結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力云圖

XZ和L結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力區(qū)域均出現(xiàn)在葉輪表面和泵出口管道，其余區(qū)域較小，最大值之間的關(guān)系為τXZ=260 Pa＜τL=391 Pa ，這與L結(jié)構(gòu)具有相對(duì)高的速度相一致[19]。對(duì)比分析后可知，XZ結(jié)構(gòu)整個(gè)葉輪的剪切應(yīng)力比較均勻，而L結(jié)構(gòu)靠近出口的大葉片吸水面，形成了一個(gè)明顯的局部高剪切應(yīng)力區(qū)，需做進(jìn)一步的改進(jìn)。

溶血主要是由于紅細(xì)胞受到機(jī)械運(yùn)動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)的作用，致使血紅蛋白游離到血漿中[20]。經(jīng)過大量研究，血泵中血液損傷主要由紅細(xì)胞的受力負(fù)荷值和暴露時(shí)間2方面因素決定[21]。表征溶血程度的IH值與暴露時(shí)間t和切應(yīng)力τ的關(guān)系：

其中，切應(yīng)力τ和暴露時(shí)間t的指數(shù)值由實(shí)驗(yàn)獲得，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚齕22]。

研究顯示當(dāng)切應(yīng)力值＜150 Pa時(shí)，紅細(xì)胞即使暴露無限長的時(shí)間也不會(huì)因?yàn)榍袘?yīng)力被破壞；切應(yīng)力在150～1000 Pa范圍時(shí)紅細(xì)胞開始受到破壞，此時(shí)由τ和t共同決定是否溶血，而切應(yīng)力作用時(shí)間超過1 s將引起紅細(xì)胞破壞；當(dāng)切應(yīng)力值在臨界值1000 Pa以上時(shí)，紅細(xì)胞即使暴露極短時(shí)間也會(huì)破壞。以上2種結(jié)構(gòu)的血泵在Q=6.24 L/min，供壓100 mmHg工況下，轉(zhuǎn)速分別為1950和2082 rpm，這樣的速度下，紅細(xì)胞在泵內(nèi)停留時(shí)間不超過1 s。另外，XZ和L結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力最大值均＜危險(xiǎn)值1000 Pa。進(jìn)一步分析，L結(jié)構(gòu)的血泵與血液總接觸面積為12251.13 mm2，其中剪切應(yīng)力＞150 Pa的面積占0.206％，分布在葉輪區(qū)域和血泵出口處的壁面，而葉輪區(qū)域占了0.144％，這說明此種簡(jiǎn)單圓弧流線型葉片結(jié)構(gòu)存在一定問題，需要進(jìn)行優(yōu)化。與L結(jié)構(gòu)相比，XZ結(jié)構(gòu)的血泵與血液總接觸面積為13457.36 mm2，其中剪切應(yīng)力＞150 Pa的區(qū)域僅占0.0022％，主要集中在半圓側(cè)壁和出口管道相接的位置。因此，XZ結(jié)構(gòu)的血泵對(duì)溶血的控制較好，L結(jié)構(gòu)在降低剪切應(yīng)力上需做進(jìn)一步的改進(jìn)。

3 結(jié)論

通過對(duì)2種不同結(jié)構(gòu)的離心式血泵進(jìn)行CFD多相流仿真，我們發(fā)現(xiàn)，具有一定角度的斜直葉片與簡(jiǎn)單圓弧流線型葉片相比，在供壓能力、壓力分布、速度矢量分布和溶血性能上，均有更好的表現(xiàn)。這說明，簡(jiǎn)單的圓弧流線型葉片并不能改善血泵內(nèi)的流動(dòng)情況和溶血性能，需要探索和設(shè)計(jì)新的流線型葉片。對(duì)于斜直葉片結(jié)構(gòu)，仍可開展進(jìn)一步的研究，比如針對(duì)最優(yōu)葉片個(gè)數(shù)、最優(yōu)葉片角度等問題仍需進(jìn)行更深入的研究和探討[23]。

Interface是CFD軟件中的一個(gè)概念，用來處理不同流體域間的相互作用。本文創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了一對(duì)Interface，將血泵整個(gè)流體域劃分為被葉輪帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流體域和靜止的流體域2部分，使模型更加近似于真實(shí)血流。并且對(duì)比未設(shè)Interface對(duì)的仿真，這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)起到了非常好的效果。本文的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是半圓側(cè)壁的設(shè)計(jì)，主要優(yōu)點(diǎn)在于加大了泵殼與出口管道相接處的面積，與垂直圓柱側(cè)壁相比，相同直徑的出口管道，面積增大了近43.3％。從最終的分析結(jié)果可知，相接區(qū)域的流動(dòng)情況有了明顯的改善，不過在血泵section 5上，仍存在著小局部的二次流、回流現(xiàn)象，對(duì)L結(jié)構(gòu)，甚至還出現(xiàn)了血流滯止區(qū)，這些區(qū)域雖然微小，但仍有形成血栓與溶血的風(fēng)險(xiǎn)。另外，與L結(jié)構(gòu)相比，XZ結(jié)構(gòu)的最大速度降了近1 m/s,但是仍然偏大，因此，2種結(jié)構(gòu)仍需進(jìn)一步的優(yōu)化。

對(duì)血泵模型進(jìn)行多相流分析，血液中的血漿和血細(xì)胞分別被定義為液相和固相，觀察各相體積分?jǐn)?shù)分布發(fā)現(xiàn)，血液中的不同組分并不是均勻分布，血細(xì)胞在不同部位存在著微小的聚集與稀釋，這種現(xiàn)象主要分布于葉輪區(qū)域，在葉片的壓水面體積分?jǐn)?shù)局部變大，吸水面則局部減小。初步分析，除了液相與固相本身的差異，原因還可能與葉輪的高速旋轉(zhuǎn)有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)，對(duì)血泵的體外循環(huán)實(shí)驗(yàn)具有一定的意義，值得進(jìn)一步的探究。

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Research on the Performance of the Centrifugal Blood Pum p by Using the M ulti-Phase Flow Analysis Technique

LIU Xiao-Jun, YANG Jun-Pei, HUANG Bi-Juan, LIU Li
School of Bio-m edical Engineering, South-Central University for Nationalities, Wuhan Hubei 430074, China

Objective To explore the impacts of different structures on the performance of blood pump by using the CFD multi-phase flow analysis technique. Methods The centrifugal blood pumps w ith two different structures were designed and introduced w ith Interface. Then under the same working condition, the multi-phase flow simulation on the pumps were conducted. The hydraulic performance and hemolytic properties of the blood pump were analyzed by exam ining the distribution of the fl ow field velocity vector and the shear stress cloud. Results Under the condition that Q=6.24 L/m in, and the supply pressure 100 mmHg, the rotational speed of the blood pump w ith XZ structure was 1950 rpm, lower than that speed（2082 rpm）w ith L structure. The flow inside the two structures worked well. However, the highest speed inside L was 6.33 m/s, higher than that speed of XZ（5.44 m/s）. The area w ith its shear stress larger than 150 Pa covered respectively 0.0022％ and 0.206％ respectively in XZ structure and L structure. Conclusion The pump w ith XZ structure showed better hydraulic performance and hemolytic properties. But the simple arc stream lined blades required for further improvements in deceleration and decompression.

centrifugal blood pump；computational fluid dynam ics；multi-phase flow analysis；flow characteristics；hemolysis analysis；computer simulation

TH311

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.10.008

1674-1633（2015）10-0028-05

2015-07-16

2015-08-10

中南民族大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CZQ 12013）；中南民族大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（XTZ09002）。

劉曉軍，副教授。

通訊作者郵箱：jsczyjp@163．com