相似理论在旋转叶轮血泵模型设计中的应用

　　1 引 言

　　心脏功能的衰竭是各种心脏病发展的严重阶段, 直接威胁着病人的生命。无论是心脏病患者, 还是临床医生和生物医学工作者均渴望用机械性血泵暂时或永久代替自然心脏维持机体血液循环, 挽救病人生命, 因此, 人工心脏和机械性心脏辅助的研究已成为医务科技人员和工程技术人员极为关注的焦点。目前, 血泵技术尚不成熟,

　　还未进入批量生产阶段; 复杂的叶轮装置需要经过精密铸造或粉末冶金加工, 模具的制造费用很高; 必须采用物相容性好的钛合金材料及特殊的表面改性处理工艺,使得原型机的加工成本相当昂贵。此外, 血泵的动物实验及活体实验费用更是惊人。这一切直接导致血泵的研究进展缓慢。

　　模拟实验在近代科学研究的各个领域中, 都得到了普遍的应用, 并占有重要的地位。它可以根据具体研究对象的情况, 按相似原理将实物放大或缩小, 在模型体上研究各种规律, 然后再推广到实物体上。它不但可以用最经济和最短的周期来进行研究, 并可以使本来无法做实验的研究对象成为可能。因此, 根据相似理论设计实验用血泵, 具有十分重要的意义。

　　2 原型血泵设计

　　图 1 为血泵装配体三维虚拟样机图。血泵系统外径与主动脉内径吻合, 取为 20 mm; 支架笼外壁嵌入编织的环形缝合裙, 置入到主动脉腔内时, 将缝合裙缝合在主动脉瓣环上, 这样就使叶轮- 永磁转子体部分牢固地植入到主动脉开口的腔内。为了嵌入固定用的编织缝合裙, 支架笼外壁开有相应的环形凹槽; 为改善血液流动性能, 前部设导流锥, 后部设导叶笼盖。受安装位置限制, 血泵总长取为 35 mm; 当叶轮转动时, 血液在叶轮- 转子体的推动下由左心室进入主动脉, 并沿轴向推进。

　　血泵采用外磁驱动方式, 叶轮中固定有永磁转子, 叶轮长 15 mm。设计流量 5 L/min, 进出口压差为 100 mmHg,叶轮转速 10000 r/min。

　　3 模型血泵设计

　　3.1 相似理论概述

　　相似的概念首先出现在几何学里。几何形状的相似具有一定的性质和条件。相似性质是指相似的现象具有什么性质, 而相似条件是指满足什么条件后一些现象才能彼此相似。对两个几何相似体来说: 所有对应的几何角度彼此相等; 所有对应的边长要互成比例, 并且所有的比例系数要彼此相等。

　　在几何学中建立起来的相似概念, 可以推广到任何一种物理现象中去。当然, 物理现象的相似比几何形状的相似要复杂得多。为此, 我们必须首先弄清楚物理现象相似的条件。

　　①对物理现象来说, 几何相似是物理现象相似的先决条件。这说明了物理的相似现象只可能在几何相似的体系内发生。