НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o488.pdf (1472.62Кб)

УДК 532.542.4, 621.65, 616-77

1 МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2 НИЦ "Курчатовский институт", Москва Россия

Объектом исследования является конструкция искусственного желудочка сердца аксиального типа, а именно: спрямитель потока, рабочее колесо и диффузор.
Цель работы – выявить влияние конструктивных параметров рабочего колеса насоса ИЖС аксиального типа: шага витка и угла атаки лопатки на расходно-напорную характеристику и  формирование зон гемолиза и стагнации. Математическое моделирование проводится в комплексе вычислительной гидродинамики в стационарной постановке.
Статья посвящена математическому моделированию течения крови в рабочей камере насоса искусственного желудочка сердца аксиального типа с учетом поведения крови как неньютоновской жидкости. Для описания нелинейной зависимости вязкости крови от скорости сдвига в работе использовалась модель Карро-Яшида. Построены расходно-напорные характеристики насоса ИЖС для конфигураций рабочего колеса с различными значениями шага витка и угла атаки. Математическое моделирование выявило значительное различие между расходно-напорными характеристиками при изменении перечисленных выше конструктивных параметров. Построенные для требуемого рабочего режима насоса поля скоростей и сдвиговых напряжений выявили наличие потенциально опасных зон стагнации и гемолиза. В дальнейшем планируется использовать полученные данные для улучшения конструкции насоса искусственного желудочка сердца аксиального типа с целью удовлетворения критерия максимизации КПД и минимизации гемолиза.

1. Kyo S. Ventricular assist devices in advanced-stage heart failure. Springer Japan, 2014. 145 p. DOI: 10.1007/978-4-431-54466-1
2. Milano C.A., Simeone A.A. Mechanical circulatory support: devices, outcomes and complications // Heart Failure Reviews. 2013. Vol. 18, no. 1. P. 35-53. DOI: 10.1007/s10741-012-9303-5
3. Mechanical Circulatory Support: In Children. Towards Myocardial Recovery / Hetzer R., Henning E., Loebe M., eds. Permanent. Springer Science & Business Media, 2012. 224 p.
4. Гуськов А.М., Богданова Ю.В. Особенности проектирования устройства искусственного желудочка сердца: обзор работ // Наука и образование. МГТУ им . Н . Э . Баумана . Электрон . журн . 2014. № 3. С . 162-187. DOI: 10.7463/0314.0705250
5. Kirklin J.K., Naftel D.C., Kormos R.L., Stevensonet L.W., Pagani F.D., Miller M.A., Baldwin J.T., Young J.B. Fifth INTERMACS annual report: risk factor analysis from more than 6,000 mechanical circulatory support patients // The Journal of Heart and Lung Transplantation. 2013. Vol. 32, no. 2. P. 141-156. DOI:10.1016/j.healun.2012.12.004
6. Регирер С.А. Лекции по биологической механике Ч.1. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. 144 с.
7. Иткин Г.П. Биофизика кровообращения : учеб. пособие / Моск. авиац. ин-т (гос. техн. ун-т). М.: МАИ, 2002. 92 с.
8. Handbook of Hemorheology and Hemodynamics / Baskurt O.K., Hardeman M.R., Rampling M.W., Meiselman H.J., eds. IOS Press, 2007. 468 p. (Ser. Biomedical and Health Research; vol. 69.).
9. Boyd J., Buick J. M., Green S. Analysis of the Casson and Carreau-Yasuda non-Newtonian blood models in steady and oscillatory flows using the lattice Boltzmann method // Physics of Fluids. 2007. Vol. 19, no. 9. Art. no. 093103. DOI:10.1063/1.2772250
10. Cho Y.I., Kensey K.R. Effects of the non-Newtonian viscosity of blood on flows in a diseased arterial vessel. Part 1: Steady flows // Biorheology. 1991. Vol. 28, no. 3-4. P. 241-262.
11. Shaik E., Hoffmann K.A., Dietiker J.F. Numerical flow simulations of blood in arteries // 4th AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit. 2006. P. 294-307. DOI: 10.2514/6.2006-294
12. Банин Е.П., Гуськов А.М., Сорокин Ф.Д. Анализ современных подходов к проектированию искусственных желудочков сердца роторного типа // Наука и образование. МГТУ им . Н . Э . Баумана . Электрон . журн . 2015. № 2. С . 250-268. DOI: 10.7463/0215.0755225
13. Su B., Chua L.P., Lim T.M., Zhou T. Evaluation of the impeller shroud performance of an axial flow ventricular assist device using computational fluid dynamics // Artificial Organs. 2010. Vol. 34, no. 9. P. 745-759. DOI: 10.1111/j.1525-1594.2010.01099.x
14. Wu J., Antaki J.F., Verkaik J., Snyder S., Ricci M. Computational fluid dynamics-based design optimization for an implantable miniature Maglev pediatric ventricular assist device // Journal of Fluids Engineering. 2012. Vol. 134, no. 4. Art. no. 041101. DOI: 10.1115/1.4005765
15. Zhang L., Jia Y., Zhang W., Wang Y., Zhao Q. Numerical Simulation Investigation on Flow Field of Axial Blood Pump // Advances in Computer Science and Engineering. Springer Berlin Heidelberg, 2012. P. 223-229. DOI: 10.1007/978-3-642-27948-5_31
16. Song X., Wood H.G., Day S.W., Olsen D.B. Studies of turbulence models in a computational fluid dynamics model of a blood pump // Artificial Organs. 2003. Vol. 27, no. 10. P. 935-937. DOI: 10.1046/j.1525-1594.2003.00025.x
17. Fan H.M., Hong F.W., Zhang G.P., Liang Y.E., Liu Z.M. Applications of CFD technique in the design and flow analysis of implantable axial flow blood pump // Journal of Hydrodynamics, Ser. B. 2010. Vol. 22, no. 4. P. 518-525. DOI: 10.1016/S1001-6058(09)60084-6
18. Fan H., Hong F., Zhou L., Chen Y., Ye L., Liu Z. Design of implantable axial-flow blood pump and numerical studies on its performance // Journal of Hydrodynamics, Ser. B. 2009. Vol. 21, no. 4. P. 445-452. DOI: 10.1016/S1001-6058(08)60170-5
19. Zhang D., Shi W., Chen B., Guan X. Unsteady flow analysis and experimental investigation of axial-flow pump // Journal of Hydrodynamics, Ser. B. 2010. Vol. 22, no. 1. P. 35-43. DOI: 10.1016/S1001-6058(09)60025-1
20. Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. La Canada, CA: DCW Industries, 1998. P. 103-217.
21. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA journal. 1994. Vol. 32, no. 8. P. 1598-1605. DOI: 10.2514/3.12149
22. Behbahani M., Behr M., Hormes M., Steinseifer U., Arora D., Coronado O., Pasqualia M. A review of computational fluid dynamics analysis of blood pumps // European Journal of Applied Mathematics. 2009. Vol. 20, iss. 4. P. 363-397. DOI:10.1017/S0956792509007839
23. Yang X.C., Zhang Y., Gui X.M., Hu S.S. Computational Fluid Dynamics ‐ Based Hydraulic and Hemolytic Analyses of a Novel Left Ventricular Assist Blood Pump // Artificial Organs. 2011. Vol. 35, no. 10. P. 948-955. DOI: 10.1111/j.1525-1594.2011.01203.x
24. Toptop K., Kadipasaoglu K.A. Design and Numeric Evaluation of a Novel Axial-Flow Left Ventricular Assist Device // ASAIO Journal. 2013. Vol. 59, no. 3. P. 230-239. DOI: 10.1097/MAT.0b013e31828a6bc1
25. Song X., Untaroiu A., Wood H.G., Allaire P.E., Throckmorton A.L., Amy L., Day S.W., Olsen D.B. Design and transient computational fluid dynamics study of a continuous axial flow ventricular assist device // ASAIO journal. 2004. Vol. 50, no. 3. P. 215-224. DOI: 10.1097/01.MAT.0000124954.69612.83