脈動式血泵流固耦合問題的大渦模擬研究

《脈動式血泵流固耦合問題的大渦模擬研究》是依託蘇州大學，由吳鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：脈動式血泵流固耦合問題的大渦模擬研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳鵬
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

心血管疾病是威脅人類健康的最常見疾病。心室輔助裝置（俗稱人工心臟）是機械式血泵，可以替代/輔助心臟或者過渡到心臟移植，正成為應對心臟病的重要手段。脈動式血泵類似於自然心臟，裡面的流動本質上是非定常的轉捩/湍流脈動流動，並有流固耦合的問題。數值模擬可以彌補實驗的不足，捕捉更多的流場細節。本項目致力於採用大渦模擬 (LES) 技術和浸入邊界 (IB) 方法，模擬脈動式血泵內流固耦合問題，並發展一套用於低雷諾數內流動的三維LES & IB計算程式。本研究主要分為以下幾點內容：發展適用於低雷諾數內流動的LES技術，結合IB方法並採用主流的亞格子模式、高精度的數值格式和自適應格線技術捕捉流動細節；對程式進行有效的算例驗證；運用該程式整體模擬脈動式血泵內的流固耦合問題。最終將開發一套成熟的數值模擬工具，以加深對血泵內流場細節的理解，並輔助估算、預測血液損壞和改進血泵的設計。

結題摘要

心血管疾病是威脅人類健康的最常見疾病。心室輔助裝置（俗稱人工心臟）是機械式血泵，可以替代/輔助心臟或者過渡到心臟移植，正成為應對心臟病的重要手段。在血泵等血液接觸型人工器官的開發過程中，計算流體力學結合溶血經驗預測模型已被廣泛用於預測溶血量以及輔助血液相容性設計。這類裝置內的流場極其複雜，可能是層流、過渡流或湍流。因此溶血的準確預測不僅有賴於溶血經驗模型的精度，也有賴於複雜流場的準確預測。本研究從改善湍流流場的預測、改進溶血經驗模型等角度進行了系統性研究，開發了可求解三維複雜湍流流動的大渦模擬計算程式，並採用大渦模擬改善了對血泵內複雜流場的預測；提出了基於能量耗散的溶血經驗預測模型，並進行了廣泛的驗證，相較傳統的基於雷諾應力的溶血模型，新模型顯著改善了溶血預測精度。本項目的研究將為加強對血泵內複雜流場的認識，提高溶血預測精度，改進血泵的血液相容性設計有重要的理論意義和實際套用前景。