轴流螺旋叶轮血泵输出特性的数值分析

论文摘要

心血管疾病是导致人类死亡的主要原因之一,全世界大约有1/3的人口死亡是因心脏病而导致的,在我国,每年有几十万人死于心脏病。目前主要的治疗方式是进行心脏移植,随着医学的不断进展,排异反应等技术问题不再是制约心脏移植发展的主要原因,但是供体器官的短缺成为全球性的医学难题。为了解决这一问题,人们开始研究自然心脏的替代品——全人工心脏和心室辅助装置。血泵作为全人工心脏和心室辅助装置的核心部件,近年来得到了迅速的发展,已经有多个人工心脏和心室辅助装置进入临床应用阶段。计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术在血泵的开发和研究中起到了重要的作用。通过CFD技术配合计算机进行仿真,可以方便的对比不同结构和尺寸下的泵的输出特性,从而节省了制造物理样机的成本和时间。同时利用CFD技术还可以实现对泵腔内流场的流动状况的观察研究,这是常规测量技术所难以达到的。本文的主要研究内容为:(1)介绍了人工心脏的发展历史,对全人工心脏和心室辅助装置这两类的国内外的发展状况进行了概述。同时对CFD技术在血泵开发中的应用作了详细的介绍。(2)利用Pro/E对轴流螺旋叶轮泵进行了实体建模,对建立的模型进行相应的处理后进行网格划分,在对各种数值算法进行对比后,选择了SIMPLEC算法、k ?ε双方程湍流模型对不同结构和不同尺寸下的血泵模型进行了数值模拟。(3)对不同转速、不同叶片数、不同叶片升角的多个模拟结果进行了比较,得出了转速、叶片数、叶片升角对于泵的输出压力和输出流量的影响关系。(4)对能够达到输出特性要求的泵的内部流场进行了压力分布的分析,发现了在转子出口处区域压力变化较大,这对流动中的血细胞是很不利的,据此对泵的结构做了相应的改进。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 国内外人工心脏的研究现状
• 1.2.1 国外人工心脏研究概况
• 1.2.2 国内人工心脏相关研究概况
• 1.3 计算流体动力学及其在人工血泵研究中的应用
• 1.4 课题的来源及主要研究内容
• 第2章 血泵计算模型
• 2.1 锥形螺旋叶轮泵的建模
• 2.2 数值模拟的计算流程
• 2.2.1 控制方程的建立
• 2.2.2 边界条件与初始条件
• 2.2.3 网格划分
• 2.2.4 建立离散方程
• 2.2.5 求解控制参数
• 2.2.6 求解算法
• 2.2.7 结果的后处理
• 2.3 本章小结
• 第3章 锥形螺旋叶轮泵输出特性的分析
• 3.1 转速对泵输出性能的影响分析
• 3.1.1 转速与输出流量的关系
• 3.1.2 转速与输出压力的关系
• 3.2 叶片数对泵输出性能的影响分析
• 3.2.1 叶片数与输出流量的关系
• 3.2.2 叶片数与输出压力的关系
• 3.3 叶片倾角对泵输出性能的影响分析
• 3.3.1 叶片倾角与输出流量的关系
• 3.3.2 叶片倾角与输出压力的关系
• 3.4 本章小结
• 第4章 血泵的流场分析与结构优化
• 4.1 血泵流场分析
• 4.1.1 泵的流场压力分布
• 4.1.2 泵的流场速度分布
• 4.2 叶片数目对于流场的影响分析
• 4.3 流场的结构优化
• 4.3.1 叶片结构的优化
• 4.3.2 导流叶片的结构优化
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 承担的研究课题
• 发表的学术论文
• 致谢
• 作者简介