离心式血泵液力悬浮结构设计及血液相容性研究
植入式旋转血泵是治疗心衰的有效的方式之一，相对于采用机械轴承的旋转血泵而言，采用悬浮支承方式的第三代血泵在改善血液相容性方面具有显著的优势。其中，采用液力悬浮方式的血泵具有悬浮稳定性好，结构紧凑及能耗低的优点，但叶轮与泵壳内表面间狭窄的间隙容易造成血液破坏，因此，在设计血泵液力悬浮结构时需要对悬浮稳定性及血液相容性进行综合分析，使血泵稳定悬浮的同时兼具良好的血液相容性。 本课题的血泵采用磁液耦合悬浮支承方式，磁悬浮方式在轴向产生的负刚度不利于血泵叶轮的稳定悬浮。因此，本文通过分析总结现有的血泵液力悬浮结构，结合本课题血泵结构特征，通过在轴向开设动压轴承的方式消除轴向负刚度，保证叶轮悬浮稳定性。通过计算流体力学软件对血泵流场进行数值模拟，获得含液力悬浮结构初始方案的血泵流场的分布特性及液力悬浮结构处的压力边界值。 对血泵液力悬浮结构内的流场进行合理假设，在假设的基础上建立相应的雷诺方程，并通过坐标转换将雷诺方程转换到边界拟合坐标系中，通过中心五点差分法离散求解雷诺方程。利用Matlab Appdesigner搭建血泵液力悬浮结构承载力和刚度的计算软件，并求解血泵液力悬浮结构不同结构参数对应的承载力和刚度，并分析液力悬浮结构的参数对承载力和刚度的影响规律。设计正交实验，探究液力悬浮结构参数对承载力和刚度影响的显著性。设计液力悬浮结构支承力及刚度测量平台，并验证悬浮稳定性研究方法的有效性。 为研究血泵液力悬浮结构的血液相容性，建立了剪应力模型、溶血模型和血液损伤计算方法。通过Fluent对血泵的液力悬浮结构进行流场仿真，并利用离散相模型（DPM）获得红细胞粒子在液力悬浮结构流场中受到的剪应力及曝光时间，求解液力悬浮结构不同结构参数下的溶血值。设计正交实验，研究不同结构参数对血泵液力悬浮结构血液相容性影响的显著性，并分析槽宽比、槽深、间隙对血泵液力悬浮结构血液相容性的影响规律。结合血泵液力悬浮结构悬浮稳定性数值模拟的结果，得到兼具良好悬浮性能和血液相容性的血泵液力悬浮结构参数。 为验证血泵液力悬浮结构的悬浮稳定性和血液相容性，加工钛合金壳体的血泵样机。在课题组搭建的体外模拟循环装置的基础上设计悬浮稳定性实验，对血泵添加不同压力、不同频率的外界扰动，观察血泵在不同外扰时的悬浮稳定性。设计体外溶血实验，搭建模拟人体血液循环系统的体外溶血实验台，研究所设计的血泵液力悬浮结构的血液相容性，为改善血泵的运行稳定性和血液相容性奠定研究基础。
离心式血泵;液力悬浮结构;悬浮稳定性;血液相容性
哈尔滨理工大学
硕士
机械工程
王义文
2022
中文
TH789;TH703
2022-09-21（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）