隨著社會老齡化和城市化進(jìn)程加快,我國居民心血管病中心力衰竭的危險因素普遍暴露,血泵作為心室輔助裝置的核心部件,已廣泛應(yīng)用于終末期心力衰竭病人的治療。但是,血泵內(nèi)部為三維、粘性、旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜流場,在運(yùn)行過程中也容易產(chǎn)生溶血和血栓等問題,將直接影響患者的生命安全。對血泵的內(nèi)部流動特性進(jìn)行研究,有助于解決血泵血液損傷的問題,對推動人工心臟的發(fā)展有著極為重要的意義。本文采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對離心式血泵的內(nèi)部流動特性和血液損傷進(jìn)行分析,并基于仿生學(xué)原理,對葉輪葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,具體研究工作如下:(1)穩(wěn)態(tài)工況下離心式血泵流動特性的研究。相同流量下,低轉(zhuǎn)速的蝸殼壁面壓力低于高轉(zhuǎn)速的蝸殼壁面壓力,且隨著流量的增大,蝸殼壁面壓力沿流動方向逐漸增大。葉片背面出口處存在一個低壓區(qū)域,造成葉輪流道內(nèi)其他區(qū)域流動速度的增加。轉(zhuǎn)速相同時,隨著流量的增大,葉片出口處的壁面剪應(yīng)力值增大;流量相同時,隨著轉(zhuǎn)速的增大,葉片出口處的壁面剪應(yīng)力值增大。(2)心動周期內(nèi)非穩(wěn)態(tài)工況下離心式血泵流動特性的研究。在一個心動周期內(nèi),當(dāng)進(jìn)口流量增大時,血泵揚(yáng)程下降;進(jìn)口流量減小時,血泵揚(yáng)程上升,高轉(zhuǎn)速工況下血泵揚(yáng)程高于低轉(zhuǎn)速工況下血泵揚(yáng)程。低轉(zhuǎn)速下的壓力增長幅值低于高轉(zhuǎn)速下的壓力增長幅值;低轉(zhuǎn)速工況下速度增加幅值小于高轉(zhuǎn)速工況下的速度增加幅值,低轉(zhuǎn)速工況下血泵運(yùn)行平穩(wěn)時最大流速基本保持在6.1 m/s,高轉(zhuǎn)速工況下血泵運(yùn)行平穩(wěn)時最大流速基本保持在8.7 m/s;高轉(zhuǎn)速工況下葉輪葉片壁面產(chǎn)生的剪應(yīng)力比低轉(zhuǎn)速工況下葉片壁面產(chǎn)生的剪應(yīng)力值高,葉輪葉片前端部分的剪應(yīng)力值都較低,高剪應(yīng)力值分布范圍基本集中在葉片尾部。高轉(zhuǎn)速下監(jiān)測點(diǎn)的剪應(yīng)力明顯高于低轉(zhuǎn)速下相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)的剪應(yīng)力,隔舌處的剪應(yīng)力高于葉片出口附近監(jiān)測點(diǎn)的剪應(yīng)力。(3)不同工況下離心式血泵血液損傷研究。基于DPM離散化模型,通過在進(jìn)口面釋放粒子來模擬血紅細(xì)胞在離心式血泵中的流動情況以及受力情況,發(fā)現(xiàn)在小流量、高轉(zhuǎn)速工況下,紅細(xì)胞受到的剪應(yīng)力最低,暴露時間中等,因此紅細(xì)胞的溶血值和血栓值都是最低的;大流量、低轉(zhuǎn)速工況下,紅細(xì)胞受到的剪應(yīng)力偏高,且暴露時間長,綜合作用下導(dǎo)致紅細(xì)胞的溶血值和血栓值最高;大流量、高轉(zhuǎn)速工況下,紅細(xì)胞受到的剪應(yīng)力最高,但是作用在紅細(xì)胞上的時間短,紅細(xì)胞在血泵中的暴露時間短,因此紅細(xì)胞的溶血值和血栓值偏高。(4)葉片結(jié)構(gòu)對離心式血泵流動特性的影響研究。基于仿生學(xué)原理對葉輪葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,研究其對離心式血泵葉輪速度場、壁面剪應(yīng)力等的影響。與原模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比可知,非光滑單元體減小了葉片、蝸殼壁面剪應(yīng)力,改變了葉片近壁面的速度分布,降低了近壁面的速度梯度,減小了近壁面雷諾應(yīng)力,降低壁面黏性阻力。本文取得的研究成果,為離心式血泵葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)、改善血泵的溶血性提供了指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH77
【部分圖文】：

環(huán)雜志》2018 年 01 期最新發(fā)布的《中國心血管病報告 2017會進(jìn)程的不斷加快，不健康的飲食和生活方式使得我國居民心在低齡化、低收入人群中。我國居民心血管疾病患病率一直持2015 年居民心血管病患病率死亡率仍居首位且雖有波動，但其他疾病致死率。圖 3 中可以看出，從 2009 年起，農(nóng)村居民高于城市居民的患病率死亡率[2-3]。將中國城鄉(xiāng)居民主要疾病死顯示不管是農(nóng)村還是城市居民，心血管疾病的死亡率均占比 42.61%，基本每 5 例死亡中就有 2 例死于心血管疾病。由此城鄉(xiāng)居民身體健康問題的主要影響因素。病分成多種情況：腦血管病、心律失常、心血管外科疾病、冠脈疾病、肺血管疾病等，其中心力衰竭患者人數(shù)占心血管疾病所謂的心力衰竭，就是指通過人體心臟輸送的身體各個器官的循環(huán)量，到了終末期，低的血液循環(huán)量不足以維持人體的需求且用尋常的外科手術(shù)還無法治愈[8-11]。

圖 1-2 1990-2015 年中國城市居民主要疾病死亡率變化[1]-2 Mortality changes of major diseases among urban residents in Ch2015圖 1-3 1990-2015 年中國城鄉(xiāng)居民心血管病死亡率變化[1]-3 Changes in cardiovascular mortality in urban and rural resident1990 to 2015

圖 1-3 1990-2015 年中國城鄉(xiāng)居民心血管病死亡率變化[1] Changes in cardiovascular mortality in urban and rural residents of 1990 to 2015圖 1-4 2015 年中國城鄉(xiāng)居民主要疾病死因構(gòu)成比（%）[1] 1-4 Mortality rate of major diseases among urban and rural residentsin 2015 (%)

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本文編號：2827893