人工心脏的数值仿真与设计优化

发布时间：2017-05-25 13:03

  本文关键词：人工心脏的数值仿真与设计优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：心力衰竭是各种心脏病患者主要的死亡原因之一,终末期心力衰竭的治疗已经成为心血管内外科所面临的巨大挑战。鉴于药物治疗及外科手术的局限性,以及供体心脏的不足,心脏辅助装置得以快速发展。人工心脏主要以微型机械泵来辅助或替代自然心脏完成泵血,其中轴流式血泵由于体积较小、结构较简单、易植入人体等优点,已逐渐成为人工心脏的研究热点。血泵中的血液会因多种因素产生血栓和溶血,因此,研究血液在血泵内的流动情况,对人工血泵在医学临床上的运用有着重要的意义。本文基于传统轴流泵设计理论设计了一款轴流式心脏泵,确立了以RNG κ-ε湍流模型作为血泵内部流场的数值模拟方法,运用CFD软件对血泵内的三维不可压缩流场进行了数值模拟,计算得到了血泵内部流场的压力、速度、切应力及湍流效应分布情况,分析了血泵内流场可能出现溶血和血栓形成的区域,并在此分析基础上对血泵结构进行了相应的改进。分析结果表明：(1)改进后血泵的流量输出性能较原血泵有所改善,在较低的的转速下便能达到正常人体所需求的6L/min流量输出和100mmHg后负荷压力输出。(2)血泵内流场在旋转叶轮进出口区域和后导叶入口处出现了较高的压力和剪切应力,改进后的血泵内流场压力和切应力极值较原血泵均降低,且压力梯度更加均匀。(3)叶轮区域的血液有较高的流动速度,改进后的血泵内血液高速流动有所缓解,血液的高速流动较原血泵降低了9.5个百分点。(4)在血泵叶轮和后导叶交界区域出现了较大的湍流动能和湍动能耗散率,改进后的血泵湍流动能有所降低,但湍动能耗散率的改善并不太明显。(5)在原血泵导流锥附近出现了明显的流动滞止,改进后的血泵改善了该区域的血液流动情况,避免了因流动滞止形成血栓。通过分析得到结论：和原血泵相比,改进后的血泵内溶血和血栓形成概率降低。
【关键词】：轴流血泵 湍流模型 CFD仿真分析 结构改进
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 研究背景与意义11-12
• 1.2 人工心脏的发展历程与研究现状12-18
• 1.2.1 全人工心脏12-13
• 1.2.2 心室辅助装置13-17
• 1.2.3 国内人工心脏发展现状17-18
• 1.3 CFD在轴流血泵中的运用18-19
• 1.4 主要研究内容与方法19-21
• 第2章 轴流血泵结构设计与建模21-29
• 2.1 血泵的结构与工作原理21-22
• 2.2 血泵设计参数选取22-23
• 2.3 血泵导流锥设计23-24
• 2.4 叶轮结构设计24-27
• 2.5 血泵三维模型建立27
• 2.6 本章小结27-29
• 第3章 轴流血泵流场控制方程与湍流模型29-37
• 3.1 流体机械内部全三维流动的控制方程29-32
• 3.2 内部湍流的数值模拟方法及湍流模型32-35
• 3.2.1 湍流的数值模拟方法32-33
• 3.2.2 基于雷诺时均方程法的湍流模型33-35
• 3.3 血泵内叶轮旋转区域的处理35
• 3.4 本章小结35-37
• 第4章 轴流血泵流场仿真与分析37-52
• 4.1 流域网格划分37-38
• 4.2 FLUENT计算参数设置38-39
• 4.2.1 流体参数设置39
• 4.2.2 求解算法与边界条件确定39
• 4.3 仿真结果及分析39-50
• 4.3.1 血泵转速与流量关系40-41
• 4.3.2 血泵内部压力场分析41-43
• 4.3.3 血泵内部速度场分析43-47
• 4.3.4 血泵内部应力场分析47-49
• 4.3.5 血泵湍流效应分析49-50
• 4.4 本章小结50-52
• 第5章 轴流血泵的结构改进52-63
• 5.1 血泵结构改进设计方案52
• 5.2 泵结构改进设计过程52-54
• 5.3 改进后的血泵CFD分析54-62
• 5.3.1 改进后血泵转速与流量关系54-55
• 5.3.2 改进后血泵内部压力场分析55-57
• 5.3.3 改进后血泵内部速度场分析57-60
• 5.3.4 改进后血泵应力场分析60-61
• 5.3.5 改进后血泵湍流效应分析61-62
• 5.4 本章小结62-63
• 结论与展望63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文69

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 云忠;谭建平;龚中良;;轴流血泵叶轮结构CFD仿真优化研究[J];机械设计;2006年10期

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4 张宝宁,张扬军,吴玉林,孟庆国,焦立新,张锦,王奇,李佳春,李功宋;应用CFD对人工血泵流场进行数值仿真[J];中国生物医学工程学报;2002年01期

5 张岩;孙寒松;周建业;张浩;郑哲;李国荣;朱晓东;桂幸民;胡盛寿;;一种新型轴流式心脏辅助血泵的研制和初步的动物实验[J];中国生物医学工程学报;2008年01期

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本文编号：393795