轴流血泵叶轮结构仿真优化分析

　　旋转叶轮血泵由于结构简单、体积小、效率高等优点，已逐渐取代隔膜血泵成为人工心脏的发展趋势[1，2]。轴流血泵与同属于旋转叶轮泵的离心血泵相比预充量更小，流入道与流出道轴向连系更利于环路的合理配置及体内植入。但轴流泵的压流原理决定其必须有较高的转速，而高速旋转的叶片会大量地破坏血液中的血细胞特别是红细胞而造成严重的溶血[5]，采用 CFD 技术，能够很好地预测血泵的性能和内部流动产生的缺陷，使设计者以最快、最经济的途径，对叶轮形状进行优化，减少红细胞所受剪切力，减少流场中的湍流、回流、死区及流动分离现象，这对提高血泵的机械效率与减少血液损伤至关重要。

　　1 问题描述

　　图 1 为所设计轴流血泵叶轮形状，叶轮长 15mm，外径 20 mm。设计流量 5 L/min，进出口压差为 100 mmHg，叶轮转速 10000 rpm。

　　2 计算控制方程

　　考虑到叶轮形状比较复杂，所以对于此类旋转坐标系下的流动问题，一般采用 RNG κ-ε模型[6]来模拟其流场，其表述如下：

　　3 网格划分及边界条件确定

　　由于叶轮形状比较复杂，本文采用四面体非结构网格对模型进行网格划分。在计算时共划分了29518 个计算单元，179275 个计算节点。

　　血液密度为 1.055×103kg/m3，血液粘度为 4×10-3Pas。采用进出口压力条件;叶片形成的壁面定义为旋转边界，其转速等于叶轮转速;其他壁面定义为无滑固壁边界。

　　4 计算收敛过程

　　按一般的计算精度要求，当速度、湍流动能、湍流耗散率以及连续性的残差小于 10-3时，即认为计算达到收敛要求。

　　求解大约在 670 步迭代后达到收敛，进出口质量流量平衡和出口总压均已达到稳定状态，残差值小于 1×10-5。

　　5 仿真结果及分析

　　5.1 轴流血泵内部速度场仿真分析

　　图 2 为血泵叶轮表面速度场分布云图。由于叶轮具有极高的转速，血泵中血液流动速度最高点分布在叶片边缘，约为 10 m/s。

　　仿真所得血液流线如图 3 所示。由图可见：

　　(1)在旋转血泵中，血液在叶轮中的流动基本不存在滞流及回流现象，有利于减少血栓的产生。

　　(2)红细胞的运动轨迹存在少量的流动分离现象，使血泵的升压比下降;部分红细胞由于惯性而偏离流道，直接和叶片发生撞击，有可能产生破碎而导致溶血。在设计中应根据流线进一步调整叶片形状。

　　(3)在叶轮边缘部分，由于叶轮与血泵内壁有一定的间隙，有少量的血细胞掠过叶轮的边缘(高剪切应力区)，也有可能产生一定的溶血现象，这和Kawahito K 等人[3]的研究成果相吻合。