血液灌流器悬浮颗粒流动行为数值模拟分析

发布时间：2020-10-14 19:01

　　 血液灌流器作为血液净化领域重要医用耗材,其中的吸附剂颗粒(聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物)在流体的作用下会大量地聚集于静脉端的滤网处,处于悬浮状态。本文针对血液灌流器内流道在临床使用过程中内部流场的运动情况,建立相应的流体力学模型,并进行求解,模拟分析吸附剂颗粒在混合流场中的悬浮运动状态,为灌流器结构优化与临床使用提出指导。主要研究工作和成果包括:(1)建立多孔介质模型和悬浮颗粒模型进行求解与分析。对比两者的理论方程,可以看出多孔介质模型仅描述了流体的运动特性,而悬浮颗粒模型不仅描述了流体的运动特性,还描述了颗粒在流态化过程中的悬浮翻滚行为,以及血液与颗粒间的相互作用;应用CFD耦合EDEM模拟不同吸附剂装量的内流道的混合流场,内流道进出口压降与实验测量的压降比较一致,颗粒速度和固含率沿着径向的分布与文献值吻合较好。悬浮颗粒模型相比于多孔介质模型模拟得到的进出口压降与实验值更加吻合。(2)分析悬浮颗粒模型入口流速对内流道中混合流场的影响:应用离散相数值求解模型、改变入口边界条件,分别对恒定入口边界条件和脉动入口边界条件下的混合流场进行模拟;发现在恒定和脉动入口流速下,当入口流速较大时,颗粒在流体的作用下,使得颗粒大量地聚集于静脉端的滤网处。在脉动入口流速下,当入口流速较小时,颗粒速度在轴向和径向分布出现明显的波动,说明颗粒在混合流场中出现明显的悬浮翻滚运动。应用均一相模型求解内流道中的混合流场,在不同入口流速下,均发现会出现一小部分颗粒在动脉端的滤网处存在快速的悬浮翻滚运动,大部分颗粒在流体的作用下位于静脉端的滤网处。得出结论:均一相模型下,选择脉动入口流速作为入口边界条件,可以准确地呈现悬浮颗粒的在混合流场中的悬浮翻滚运动,有利于血液与吸附剂颗粒的充分接触。(3)在离散相悬浮颗粒流体力学模型下,按自由曳力模型、De filice曳力模型、Ergun and wen yu曳力模型;在均一相悬浮颗粒流流体力学模型,按自由曳力模型;模拟计算在以上两种悬浮颗粒模型下相间的相互作用对颗粒速度和固含率分布的影响。结果表明:在离散相模型下,不同的相间作用模型对颗粒固含率分布影响较小,而对速度分布有不同程度的的影响。在均一相模型下,颗粒速度在轴向的分布先升高后减小最后趋于稳定,有别于离散相模型下颗粒速度在轴向逐渐减小最后趋于稳定的变化趋势,发现均一相模型颗粒速度大于离散相模型的颗粒速度。此外在均一相模型下,分析流体对颗粒的曳力作用,内流道进出口压降与实验的压降比较吻合,且颗粒速度在近壁面位置处相对较大。得出结论:均一相模型下的自由曳力相间作用可以更好地描述灌流器内流道的混合流场。(4)分析颗粒属性(颗粒密度、颗粒半径)对内流道中混合流场的影响,根据模拟结果发现:应用离散相悬浮颗粒数值求解模型,当颗粒密大于血液密度时,可以更好地将内流道中颗粒的悬浮翻滚运动呈现出来;在均一相悬浮颗粒模型下,颗粒密度对内流道中的混合流场中流体的速度、颗粒速度、进出口压降影响较大。在离散相数值求解模型下,颗粒半径对内流道混合流场的影响不明显;在均一相悬浮颗粒模型下,颗粒半径对内流道中的混合流场的影响明显。得出结论:均一相模型有利于从颗粒属性的角度描述混合流场的运动状态;颗粒密度大于血液密度时,有利于颗粒的悬浮翻滚运动;颗粒半径越大越不利于颗粒的悬浮翻滚运动。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH77
【部分图文】：

图 1-1 单个颗粒的受力情况ig.1-1 Stress on a single part颗粒上主要是由于流体算方程。Moraga[67]提出颗粒雷诺数和涡流雷诺r[70]提出更大范围雷诺数主要适用于小直径球形对吸附剂颗粒的作用。循环流化床（CFB）的非数评价模型，并基于该法对圆柱形鼓泡塔进行

华南理工大学硕士学位论文第二章 血液灌流器流体力学模型的建立灌流器的工作原理流器作为血液净化技术的重要载体，常用于中毒、尿毒症和肝病的有害物质[86]。血液灌流器的工作原理如图 2-1 所示，血液通过流道当中之后经过静脉端回流至人体。从图 2-1 中可以观察出，求解过程中建立相应的入口边界条件；根据灌流器内流道的结流体力学模。内流道结构图 2-2 所示。

第二章 血液灌流器流体力学模型的建立的多孔介质模型质模型控制方程血液灌流器的工作方式可知，流体进入内流道中，会使得大网处。此时可以将趋于静止状态的吸附剂颗粒床层视为多孔处。多孔介质的模型如图 2-3 所示，多孔介质段（③），放孔隙网络结构；血液从底部的动脉端（①）入口进入灌流（③）进行吸附，最后从静脉端（④）流出回流到人体。多型和毛细管束模型[87]，近年来关于孔隙网络模型的研究相对
【参考文献】

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本文编号：2841054