轴流血泵流场分析与结构改进

李驰培，杨秀萍，陈 俊，佟 生，李国荣

（1.天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.机电工程国家级实验教学示范中心，天津 300384；3.阜外心血管病医院外科，北京 100037）

0 引言

根据联合国世界卫生组织的有关数据，心血管疾病仍然是造成人类死亡的三大疾病之一。在中国，严重的心脏病患者大约有500万人，由于药物治疗及外科手术的局限性，供体心脏的不足，促使人工血泵快速发展[1]。轴流式血泵在心脏循环手术中的运用已经较为普遍，在过去的20年间，通过一系列的设计、制造、实验，具有了良好的恢复心肌功能的潜力，国外已经研发了多种轴流式血泵[2]。但还有很多的技术问题需要解决，主要是避免溶血和血栓的产生。轴流泵旋转产生的剪切应力是破坏血细胞的主要因素，采用实验方法研究叶片的剪切应力，需要极大的资源，而且研究较为困难。随着计算机计算水平的提高和流体力学等学科的融合，计算流体动力学（CFD）得到了飞速发展，逐步成为轴流血泵设计的主要方法[3]。将CFD技术运用在轴流血泵的研发设计中，会使泵体具有优良的性能，设计者通过最简单的途径，达到设计优化的目的。侯晓彤[4]等人用CFD技术对血泵的泵内流场进行过仿真，证明泵内存在很大的剪切力。赵春章[5]等用数值模拟的方法对轴流血泵进行模拟仿真，发现安装导叶片有利于血液流动。CHHSU[6]用有限体积法分析血泵的间隙泄漏和漩涡分布情况。由于轴流血泵的流入流出通道是轴向连系，有利于血液流动和体内植入。但因为转速较高，会破坏血液中大量的红细胞，造成溶血。因此，用CFD技术对轴流血泵模型优化以减少红细胞的破坏，减少流场中的停滞、回流现象，是研究的关键所在。

本文针对阜外医院设计的轴流血泵建立三维几何模型，采用FLUENT软件对其流场、压力场进行仿真，根据剪应力的分布，分析相关参数对血液流动的影响，并对尾导叶结构进行改进，以减小溶血，提高性能。

1 轴流血泵仿真模型

1.1 几何模型

轴流血泵由叶片、尾导叶、转子、支撑轴、泵筒等组成，如图1(a)所示。尾导叶和泵筒焊接为一体。磁性转子和叶片在磁场驱动下可自由旋转。当泵筒和尾导叶以支架的方式插入到直径相同的管道（如大血管）内后，在外磁场的驱动下，转子便以轴流泵的方式驱动血液向后流动。螺旋形尾导叶可使血液的旋转分量转化为直流分量，以提高泵的效率。采用三维建模软件UG NX对血泵进行建模，导出x_t格式文件。

1.2 网格划分

在ICEM CFD中进行网格划分，为模拟血液流经血泵及血管中的流动，在血泵的前后分别建立入口和出口部分。整个流场分为三个区域，入口和出口部分为静态区域，采用六面体结构网格划分，中间血泵部分为动态区域，因为模型复杂，采用四面体网格划分。整个流场划分网格数为510142，如图1(b)所示。

1.3 边界条件和求解器设定

利用FLUENT进行分析求解，静态和动态流体域之间采用interface面进行连接，动态域采用多重参考坐标系模型模拟血泵旋转流场，叶轮所在区域为动参考系，静态域采用静止参考系。将转子和叶片设置为旋转壁面，其它与血液接触的壁面均选用无滑移固壁条件[7]。假设血液为不可压缩的牛顿流体，密度为1055kg/m3，动力粘度0.0035Pas，泵转速为12000r/min。湍流计算模型采用标准的k-ε两方程模型，压力速度耦合方式选用SIMPLE算法，求解器用隐式分离法[8]。进口和出口均采用压力边界条件，值为0。

图1 血泵模型

2 计算结果与分析

2.1 压力场

图2为通过血泵中轴线剖面上的压力云图。血液从右侧流入，左侧流出。可以看出，血泵进口总压平均值约为8651Pa，出口总压平均值约为31011Pa，压差为22359Pa，泵的扬程为2.16m，流量为13.51L/min。能够满足正常成年人体动脉压力和血液流量要求。入口和出口段压力分布较为均匀，靠近血泵的血液由于受旋转轴的影响，压力减小。血液从泵入口到出口的压力明显增大，在尾导叶处达到最大值，叶片处也有局部增大。由于压力变化，细胞膜内外会产生压差，使得细胞破裂。

2.2 流场及流线

图2 中轴面压力分布图

图3为通过血泵中轴线剖面的速度云图。流速在流场入口端较为平缓，泵的入口、叶片、尾导叶处的流速明显增大，出口达到最大为10m/s左右。由于旋转轴的高速转动，模型动静交界面的速度梯度较大，即泵的入口端和出口端速度变化较大，使剪应力集中，破坏红细胞[9]。

图4为流线图。整体流线较为均匀，从压力入口端到叶片端的速度数值增大，表明这一过程叶片起到了加速的作用。在血泵入口端有回流和滞流现象，容易造成血液拥堵，这对血液的正常流动有不利影响。

图3 中轴面速度云图

图4 流线图

2.3 剪应力

由于血泵高速旋转，红细胞在流场中，会受到一定的剪应力而发生形变。由流体力学的理论可知，固体与液体之间的剪应力要大于同一条件下液体与液体之间的剪应力[10]，因此最大剪应力位于血液与泵体表面直接接触的壁面上。图5为血泵表面的剪应力云图和柱状分布图，可知：泵体表面约55%面积的剪应力在150Pa以下，剪应力集中的部分主要在支架壁、叶片边缘以及后导叶边缘，最高达到了828Pa。

图5 血泵表面剪应力

红细胞破损主要与血液所受到的剪应力及受力时间有关。研究表明，当红细胞的剪应力在150～1000Pa之间且受力时间大于1s时，红细胞很可能被破坏[11,12]。由于血泵的转速较高，血液在泵体高剪应力区域停留的时间虽然比较短，但处在150～1000Pa的剪应力区，只要暴露时间稍有延长，就有可能产生溶血[13]。

3 尾导叶结构改进

由上述仿真结果分析可知，血泵的入口和出口之间压力变化梯度很大。在泵的入口和出口端速度变化较大，剪应力集中，红细胞容易被破坏。同时在泵的入口端存在一定的回流和停滞现象，不利于血液流动。为此，对轴流血泵的尾导叶结构进行改进，将两片尾导叶改为三片尾导叶。

图6为改进后模型的压力云图、速度云图和流线图。血泵进口总压平均值约为10044Pa，出口总压平均值约为34205Pa，压差为24161Pa，泵的扬程为2.33m，流量为13.92L/min，与改进前相比略有提升。可以看出：最大压力由原来的4.515×104Pa变为3.668×104Pa，有明显的降低，且整体压力分布较为均匀，梯度有所减小，只有在尾导叶处局部变化幅度较大。流速在血泵区域变得平缓，说明在叶片区间的流动更加均匀、顺畅，减小了血细胞与叶片壁面碰撞的几率，避免了细胞破损。虽然在血泵的出、入口端有小部分血液流速变快，但高于10m/s的区域小于两尾导叶模型。改进后泵体的入口没有回流和停滞的现象，有利于血液正常流动。通过叶片的血液流速更平缓，出口段有一段加速，但是所占比例很小，这对血液顺畅流动基本没有影响。

图6 改进后模型的仿真结果

图7为改进后泵体表面的剪应力云图和柱状分布图，泵体表面最大剪应力为608.5Pa，较两尾导叶模型降低了220.1Pa，低于150Pa的区域为泵体表面积的80%，提高了25%，50Pa以下所占比例也得到大幅度提高，减小了血液流动因剪应力受到的影响，降低了血细胞经过轴流血泵破损的概率。

图7 改进后模型表面剪应力

4 结论

采用CFD方法对血泵流场进行分析，能够在设计阶段发现结构的缺陷，为设计提供参考，降低设计成本，缩短血泵开发周期。本文对两种尾导叶结构的轴流血泵的流场进行仿真，根据压力、速度、流线和剪应力分布，分析了血液在泵内的流动及可能出现溶血的区域。对比结果表明：三片尾导叶结构较两导叶结构，泵体内部回流减少，压力、剪应力、明显减小，更符合血液动力学要求，可以有效降低红细胞破损的概率，抑制溶血产生。扬程、流量等性能略有提高。研究结果和方法为轴流血泵的设计和结构优化提供了参考。