軸流式葉輪血泵溶血性能探索.pdf

1、溶血是指紅細胞膜破裂,導(dǎo)致紅細胞內(nèi)的血紅蛋白游離到血漿中；流場中大于150Pa的紊流切應(yīng)力且作用時間超過1秒就會造成紅細胞膜的破裂。江蘇大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究所創(chuàng)建的血泵葉輪流線型設(shè)計方法,理論上可消除葉輪內(nèi)的紊流,并在離心式葉輪泵應(yīng)用后取得成功,溶血指標(biāo)為0.015,遠小于允許值0.1,但在軸流式血泵應(yīng)用卻遇到困難,溶血指標(biāo)達到或超過允許值。
　　 為降低軸流式血泵的溶血,在初始軸流式葉輪基礎(chǔ)上本文設(shè)計了四組改進型軸流式葉輪以及

2、開式、閉式兩種葉輪安裝結(jié)構(gòu)。初始軸流式葉輪是在流線型方法的基礎(chǔ)上作出的改進設(shè)計,外徑為10mm,長度為10mm,其葉片角從進口15°均勻增加至出口60°；葉輪(A)是按初始葉輪設(shè)計的,外徑增大為13mm和15mm的一組葉輪；葉輪(B)是在葉輪(A)的基礎(chǔ)上將葉輪長度從10mm.加長至20mm的一組葉輪；葉輪(C)是完全按流線型方法設(shè)計的,葉輪全長為10mm,葉片角分別為60°、45°和30°的一組等角螺旋線葉輪；葉輪(D)為利用傳統(tǒng)軸流

3、式葉輪方法設(shè)計的外徑為14mm的葉輪。血泵的溶血實驗結(jié)果顯示軸流型閉式葉輪血泵的溶血指標(biāo)最低值為0.06,而軸流型開式葉輪血泵的溶血指標(biāo)最低的甚至只有0.03,低于溶血允許值0.1。具體做法和詳細結(jié)果是:
　　 1、首先應(yīng)用CFD技術(shù)針對應(yīng)用流線型方法改進設(shè)計的初始軸流型閉式葉輪血泵進行了水力性能模擬以及CFD內(nèi)流場的可視化分析,發(fā)現(xiàn)工況(Q:4L／min,H:100mmHg)下初始軸流型閉式葉輪進口處液體撞擊入流幾率大,壓力梯

4、度較大,葉輪壁面最大剪切應(yīng)力為233Pa,大于臨界值150Pa,這些均可能導(dǎo)致較大的溶血。
　　 2、優(yōu)化設(shè)計葉輪(A),葉輪(B),葉輪(C)和葉輪(D)四組葉輪,并在相同的工況(Q:4L／min,H:100mmHg)下對所有血泵進行CFD仿真分析,得到的主要結(jié)論有:
　　 (1)加長葉輪(A)的葉片長度為葉輪(B)后,不同直徑(13mm和15mm)的閉式葉輪(A)壁面切應(yīng)力最大值分別下降59Pa和43Pa；葉輪(A)

5、的安裝結(jié)構(gòu)從閉式變?yōu)殚_式后,不同直徑(13mm和15mm)的閉式葉輪(A)壁面切應(yīng)力最大值分別下降66Pa和148Pa,下降幅度更大,說明葉輪安裝的結(jié)構(gòu)比葉輪葉片的設(shè)計對切應(yīng)力的影響更大。
　　 (2)葉片角為30°的等角螺旋線閉式葉輪(C)壁面切應(yīng)力最大值,進口處最大速度,壓力梯度均明顯小于其他角度的葉輪(C),因而葉片角為30°的閉式葉輪血泵的溶血可能較小。
　　 (3)軸流式閉式葉輪(D)的葉輪進口處速度比其他葉輪

6、大,血細胞撞擊入流幾率大,易發(fā)生破裂,葉輪壁面切應(yīng)力最大值為248Pa,溶血較易發(fā)生,利用傳統(tǒng)方法設(shè)計血泵的葉輪并不是理想的選擇。
　　 3、應(yīng)用體外模擬循環(huán)裝置對改進后的軸流式葉輪血泵進行了水力實驗,水力實驗得到的血泵H-Q特性曲線與模擬得到的曲線基本趨勢一致。
　　 4、應(yīng)用體外模擬循環(huán)裝置對改進后的軸流式葉輪血泵進行溶血實驗,實驗結(jié)果表明:
　　 (1)葉輪(A)的葉片長度加長至葉輪(B)后,安裝不同直徑(

7、13mm和15mm)葉輪(A)的軸流型閉式血泵的溶血指標(biāo)從0.12和0.11,分別下降至0.06和0.08；而將葉輪(A)的安裝結(jié)構(gòu)從閉式變?yōu)殚_式后,血泵的溶血指標(biāo)變?yōu)?.05和0.03,下降幅度更大。說明葉片長度對血泵溶血有影響,而葉輪安裝的結(jié)構(gòu)對血泵溶血的影響更大。
　　 (2)安裝葉輪(C)的三個閉式血泵的溶血指標(biāo)隨著葉輪葉片角從60°、45°減小到30°時依次是0.08,0.08和0.06,葉片角對溶血有影響；而安裝不同