軸流血泵流場分析與結構改進

李馳培，楊秀萍，陳 俊，佟 生，李國榮

（1.天津理工大學 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.機電工程國家級實驗教學示范中心，天津 300384；3.阜外心血管病醫院外科，北京 100037）

0 引言

根據聯合國世界衛生組織的有關數據，心血管疾病仍然是造成人類死亡的三大疾病之一。在中國，嚴重的心臟病患者大約有500萬人，由于藥物治療及外科手術的局限性，供體心臟的不足，促使人工血泵快速發展[1]。軸流式血泵在心臟循環手術中的運用已經較為普遍，在過去的20年間，通過一系列的設計、制造、實驗，具有了良好的恢復心肌功能的潛力，國外已經研發了多種軸流式血泵[2]。但還有很多的技術問題需要解決，主要是避免溶血和血栓的產生。軸流泵旋轉產生的剪切應力是破壞血細胞的主要因素，采用實驗方法研究葉片的剪切應力，需要極大的資源，而且研究較為困難。隨著計算機計算水平的提高和流體力學等學科的融合，計算流體動力學（CFD）得到了飛速發展，逐步成為軸流血泵設計的主要方法[3]。將CFD技術運用在軸流血泵的研發設計中，會使泵體具有優良的性能，設計者通過最簡單的途徑，達到設計優化的目的。侯曉彤[4]等人用CFD技術對血泵的泵內流場進行過仿真，證明泵內存在很大的剪切力。趙春章[5]等用數值模擬的方法對軸流血泵進行模擬仿真，發現安裝導葉片有利于血液流動。CHHSU[6]用有限體積法分析血泵的間隙泄漏和漩渦分布情況。由于軸流血泵的流入流出通道是軸向連系，有利于血液流動和體內植入。但因為轉速較高，會破壞血液中大量的紅細胞，造成溶血。因此，用CFD技術對軸流血泵模型優化以減少紅細胞的破壞，減少流場中的停滯、回流現象，是研究的關鍵所在。

本文針對阜外醫院設計的軸流血泵建立三維幾何模型，采用FLUENT軟件對其流場、壓力場進行仿真，根據剪應力的分布，分析相關參數對血液流動的影響，并對尾導葉結構進行改進，以減小溶血，提高性能。

1 軸流血泵仿真模型

1.1 幾何模型

軸流血泵由葉片、尾導葉、轉子、支撐軸、泵筒等組成，如圖1(a)所示。尾導葉和泵筒焊接為一體。磁性轉子和葉片在磁場驅動下可自由旋轉。當泵筒和尾導葉以支架的方式插入到直徑相同的管道（如大血管）內后，在外磁場的驅動下，轉子便以軸流泵的方式驅動血液向后流動。螺旋形尾導葉可使血液的旋轉分量轉化為直流分量，以提高泵的效率。采用三維建模軟件UG NX對血泵進行建模，導出x_t格式文件。

1.2 網格劃分

在ICEM CFD中進行網格劃分，為模擬血液流經血泵及血管中的流動，在血泵的前后分別建立入口和出口部分。整個流場分為三個區域，入口和出口部分為靜態區域，采用六面體結構網格劃分，中間血泵部分為動態區域，因為模型復雜，采用四面體網格劃分。整個流場劃分網格數為510142，如圖1(b)所示。

1.3 邊界條件和求解器設定

利用FLUENT進行分析求解，靜態和動態流體域之間采用interface面進行連接，動態域采用多重參考坐標系模型模擬血泵旋轉流場，葉輪所在區域為動參考系，靜態域采用靜止參考系。將轉子和葉片設置為旋轉壁面，其它與血液接觸的壁面均選用無滑移固壁條件[7]。假設血液為不可壓縮的牛頓流體，密度為1055kg/m3，動力粘度0.0035Pas，泵轉速為12000r/min。湍流計算模型采用標準的k-ε兩方程模型，壓力速度耦合方式選用SIMPLE算法，求解器用隱式分離法[8]。進口和出口均采用壓力邊界條件，值為0。

圖1 血泵模型

2 計算結果與分析

2.1 壓力場

圖2為通過血泵中軸線剖面上的壓力云圖。血液從右側流入，左側流出。可以看出，血泵進口總壓平均值約為8651Pa，出口總壓平均值約為31011Pa，壓差為22359Pa，泵的揚程為2.16m，流量為13.51L/min。能夠滿足正常成年人體動脈壓力和血液流量要求。入口和出口段壓力分布較為均勻，靠近血泵的血液由于受旋轉軸的影響，壓力減小。血液從泵入口到出口的壓力明顯增大，在尾導葉處達到最大值，葉片處也有局部增大。由于壓力變化，細胞膜內外會產生壓差，使得細胞破裂。

2.2 流場及流線

圖2 中軸面壓力分布圖

圖3為通過血泵中軸線剖面的速度云圖。流速在流場入口端較為平緩，泵的入口、葉片、尾導葉處的流速明顯增大，出口達到最大為10m/s左右。由于旋轉軸的高速轉動，模型動靜交界面的速度梯度較大，即泵的入口端和出口端速度變化較大，使剪應力集中，破壞紅細胞[9]。

圖4為流線圖。整體流線較為均勻，從壓力入口端到葉片端的速度數值增大，表明這一過程葉片起到了加速的作用。在血泵入口端有回流和滯流現象，容易造成血液擁堵，這對血液的正常流動有不利影響。

圖3 中軸面速度云圖

圖4 流線圖

2.3 剪應力

由于血泵高速旋轉，紅細胞在流場中，會受到一定的剪應力而發生形變。由流體力學的理論可知，固體與液體之間的剪應力要大于同一條件下液體與液體之間的剪應力[10]，因此最大剪應力位于血液與泵體表面直接接觸的壁面上。圖5為血泵表面的剪應力云圖和柱狀分布圖，可知：泵體表面約55%面積的剪應力在150Pa以下，剪應力集中的部分主要在支架壁、葉片邊緣以及后導葉邊緣，最高達到了828Pa。

圖5 血泵表面剪應力

紅細胞破損主要與血液所受到的剪應力及受力時間有關。研究表明，當紅細胞的剪應力在150～1000Pa之間且受力時間大于1s時，紅細胞很可能被破壞[11,12]。由于血泵的轉速較高，血液在泵體高剪應力區域停留的時間雖然比較短，但處在150～1000Pa的剪應力區，只要暴露時間稍有延長，就有可能產生溶血[13]。

3 尾導葉結構改進

由上述仿真結果分析可知，血泵的入口和出口之間壓力變化梯度很大。在泵的入口和出口端速度變化較大，剪應力集中，紅細胞容易被破壞。同時在泵的入口端存在一定的回流和停滯現象，不利于血液流動。為此，對軸流血泵的尾導葉結構進行改進，將兩片尾導葉改為三片尾導葉。

圖6為改進后模型的壓力云圖、速度云圖和流線圖。血泵進口總壓平均值約為10044Pa，出口總壓平均值約為34205Pa，壓差為24161Pa，泵的揚程為2.33m，流量為13.92L/min，與改進前相比略有提升?？梢钥闯觯鹤畲髩毫τ稍瓉淼?.515×104Pa變為3.668×104Pa，有明顯的降低，且整體壓力分布較為均勻，梯度有所減小，只有在尾導葉處局部變化幅度較大。流速在血泵區域變得平緩，說明在葉片區間的流動更加均勻、順暢，減小了血細胞與葉片壁面碰撞的幾率，避免了細胞破損。雖然在血泵的出、入口端有小部分血液流速變快，但高于10m/s的區域小于兩尾導葉模型。改進后泵體的入口沒有回流和停滯的現象，有利于血液正常流動。通過葉片的血液流速更平緩，出口段有一段加速，但是所占比例很小，這對血液順暢流動基本沒有影響。

圖6 改進后模型的仿真結果

圖7為改進后泵體表面的剪應力云圖和柱狀分布圖，泵體表面最大剪應力為608.5Pa，較兩尾導葉模型降低了220.1Pa，低于150Pa的區域為泵體表面積的80%，提高了25%，50Pa以下所占比例也得到大幅度提高，減小了血液流動因剪應力受到的影響，降低了血細胞經過軸流血泵破損的概率。

圖7 改進后模型表面剪應力

4 結論

采用CFD方法對血泵流場進行分析，能夠在設計階段發現結構的缺陷，為設計提供參考，降低設計成本，縮短血泵開發周期。本文對兩種尾導葉結構的軸流血泵的流場進行仿真，根據壓力、速度、流線和剪應力分布，分析了血液在泵內的流動及可能出現溶血的區域。對比結果表明：三片尾導葉結構較兩導葉結構，泵體內部回流減少，壓力、剪應力、明顯減小，更符合血液動力學要求，可以有效降低紅細胞破損的概率，抑制溶血產生。揚程、流量等性能略有提高。研究結果和方法為軸流血泵的設計和結構優化提供了參考。