用计算流体动力学-离散元法分析轴流泵的流场和溶血指标

用计算流体动力

学-离散元法分析

轴流泵的流场和溶

血指标

血泵作为拯救生命的重要辅助装置，已成为众多学者研究的重点。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模拟是优化血泵性能的有效手段，其模拟结果在实践中得到了反复验证。然而，在固相红细胞粒子破碎损伤的区域，红细胞粒子在不同时间和地点的运动、碰撞等动力学特征，仅靠CFD技术不可能实现技术突破。离散元法（Discrete Element Method，DEM）通过建立固体粒子系统的参数模型来分析和模拟粒子行为。本研究的目的是利用CFD-DEM多相流耦合技术，将DEM应用于血细胞粒子碰撞特性和运动分析，并结合血泵内流场的经典CFD分析方法，通过血液动力学特性与血液流变学的耦合，为溶血模型的建立提供支持。

本文研究的血泵模型如图1所示。该模型内径16mm，总长为81mm，主要由三部分组成：前叶片，叶轮，和后叶片。在叶片的顶部与外壳之间有0.1mm的间隙。

由于叶轮高速旋转，为了提高计算结果的准确性，将内部流场分为三部分：先导流场、叶轮流场和后方流场。这三部分均采用了非结构化的四面体网格，总网格数为12,549,766。压力出口用作边界条件。

为了验证宏数据数值计算的一致性，搭建了血泵实验平台。原理框图如图2所示。该流体采用水和甘油按2:1的比例混合而成，具有与血液相似的粘度和特性。针对不同转速下血泵的水力性能，通过阻尼阀调节血泵进出口压差，使之与仿真值一致。在三种模拟工况（6000, 8000, 和10,000r/min）下分别进行了五次试验。对流动实验结果进行了分析，如图3所示。在10000r/min内，转速每增加2000r/min，血泵流量就随之增加约21%。结果发现，在6000、8000和10000r/min工况下，仿真和实验的流量误差分别为5.1%、4.3%和3.2%。试验精度在允许范围内，说明数值计算模型与实验结果吻合较好。

以8000r/min为例，血泵内部流场压力分布如图4所示。血泵内压力沿流动方向逐渐增大，最小值出现在血泵入口处，约为-27kPa，最大值出现在叶轮后缘，约为552kPa。后叶片的压力分布相对平均。在叶轮排水区，流道压力迅速上升。由于压力梯度变化很大，可能会导致血细胞因压力差而破裂，从而产生一定的溶血现象。同时，EDEM（EDEM是用于散装材料模拟的DEM软件）计算出的血细胞粒子速度较快，导致血细胞溶血。因此，该区域的结构设计与溶血指数相关。

以8000r/min为例，血泵内速度场分布如图5所示。由于叶轮转速较高，血泵内血流最高速度位于叶片顶部靠近壁面的位置。从图中数据来看，血流的最大速度约为7.27m/s。通过EDEM中的粒子速度合成分析得到的血细胞最高速度达到13.6m/s。

图6为血细胞粒子轨迹。结合图4-6分析，可以得出结论：在血细胞粒子的运动轨迹中存在少量的流动分离（场速度、粒子速度与图6中红色轨迹的差异），从而降低了血泵的升力比。由于叶顶间隙为0.1mm，从图6（a）中可以看到少量血细胞穿过叶轮边缘直接流出。

图7为转速8000r/min，流速5.78L/min时，各区域溶血预测平均值及整体情况。由分析可知，CFD和CFD-DEM方法得到的先导叶片区域溶血值分别为3.78×10-6 和4.01×10-6，后导叶片区域溶血值分别为1.05×10-3 和1.11×10-3。它们远低于叶轮区域的值5.05×10-3和5.31×10-3，因此可以忽略先导叶片区域对整体溶血性能的影响。同时，与CFD方法相比，CFD-DEM方法得到的溶血值增加了约4.75%。

当红细胞以低速碰撞血管壁时，是相对安全的。Yun和Tan[2]指出，在6m/s的临界速度下，红细胞有破裂的风险。由图8可以得出，当发生约1.6%的碰撞时，相对速度超过6m/s，血细胞就会破裂和损伤。总之，这些碰撞主要发生在叶轮出口和后导叶片前部。通过优化导向叶片和后导叶片，可以减少溶血。同时，进一步验证了CFD-DEM耦合方法的正确性，并通过溶血指数进一步改善血细胞粒子与壁面的相互作用。

总之， CFD-DEM耦合方法的正确性得到了进一步验证。血细胞粒子在叶轮出口和入口处的压力梯度较大，容易导致血细胞破裂和溶血，因此压力梯度是优化血泵结构的重点。

[1] Lizhi Cheng, Jianping Tan, Zhong Yun, et al. Analysis of flow field and hemolysis index in axial flow blood pump by computational fluid dynamics–discrete element method. The International Journal of Artificial Organs 2021; 44(1):46-54.

[2] Yun Z and Tan J. Simulation analysis of the high-speed spiral blood pump based on the shear injure principle of blood. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni 2008; 47(1): 47–50.

文章来源：晟视科技