轴流式血泵水动力特性和生物相容性的数值模拟

　　目前,多采用牛顿流体紊流模型研究旋转式血液泵内非牛顿流体紊流特性,而针对非牛顿流体,特别是黏弹性流体紊流模型的报道甚少.已有的测量结果表明,黏弹性流体的非牛顿特性对血液泵性能的影响比较显著[1].

　　血栓和溶血是影响血液泵生物相容性的重要元素,动静部件之间存在的摩擦、泵内流场存在的滞止区和高剪切应力区均会对血液造成此类破坏[2-3],因此有必要对血泵的血液破坏程度进行评估.

　　本文利用商业软件FLUENT的UDF功能,将一种黏弹性流体k-ε模型[4-5]应用于自行设计的轴流血泵流动特性数值模拟,对轴流血泵内黏 弹性流体紊流的主要特征进行了预测.有关该模型的详细介绍见文献[6].将一种溶血指标计算方法应用于此黏弹性紊流模型中,计算了黏弹性流体为工质时血泵 的溶血指标,并与水为工质时的计算结果进行了对比.

　　1　网格划分与边界条件

　　采用结构化与非结构化网格混合的多块网格划分方法,将整个流场划分为前后直管段、左右两个锥面狭缝区、中间环状狭缝区以及叶片区等,为了研究狭 缝内流动以及近壁面的流动情况,对近壁面区域的网格进行了加密.图1给出了血液泵模型的网格划分情况,网格总数约为1·1×106.如图1所示,流体自左 至右沿x轴正向流经泵内叶轮和狭缝区域,设定入口边界为速度入口,出口边界为自由出流边界.

　　2　FLUENT的求解流程

　　由于FLUENT中现有的紊流模型只能用于牛顿流体数值模拟,本文运用FLUENT中的UDF来修改标准k-ε紊流模型中的相关项,以模拟轴流血泵内黏弹性流体的紊流流动特性.

　　采用FLUENT中的编译型UDF,将相应的黏弹性流体特性添加到现有紊流模型中,将不同于标准紊流模型各控制方程的项作为源项,同时对控制方 程的紊流扩散系数、流体的物性参数(分子黏度和紊流黏度等)和壁面边界进行修改和定义.需要调用UDF中的INIT宏定义进行初值设定,调用AD- JUST宏定义在每一步迭代计算后对数值进行调节和修改,调用SOURCE宏定义添加紊动能和紊动能耗散率方程源项,以及调用PROPERTY宏定义对分 子黏度进行定义,以模拟黏弹性流体的紊流流动特性.图2为分离解算器的FLUENT求解流程,其中虚线框各项为用户可以设定或修改的部分.

　　3　数值模拟结果分析

　　3·1　静压分布

　　图3给出了工质分别为黄原胶溶液、水和甘油溶液,转速为5 334 r/min,流量为7·5 L/min时,泵内叶轮部分的静压分布.由图可看出,叶轮通道内沿径向静压呈增大趋势,沿轴向由入口到出口方向静压也越来越大.最低的负静压位于叶轮第一 螺旋的吸力面.流体流经叶轮后,黄原胶溶液的压升比水更为明显,甘油溶液的压升最不明显.