[发明专利]一种医用滚压泵流场仿真建模方法

说明书

本发明公开了一种医用滚压泵流场仿真建模方法；利用三段光滑的曲线来模拟滚压泵软管被挤压造成的变形，并根据泵的软管直径、固定壁直径、滚子半径、挤压圆弧半径、滚子摆长、滚子数量以及阻塞角建立其参数化的二维模型；对模型进行网格划分并导入CFD软件，利用软件的动网格方法来实现对滚子运动的模拟，并给出了实时边界位置的计算过程；本发明提出的仿真方法具有较高的精度和计算效率，可用于研究滚压泵滚子大小、转速、阻塞角等结构参数对溶血率的影响，也可用于其进一步的参数优化设计。

技术领域

本发明涉及一种医用滚压泵流场仿真建方法技术，属于滚压泵技术领域。

背景技术

滚压泵因其制造方便、流量可靠、对血液的污染低等优势，被广泛使用于心室辅助、血液透析和体外循环场合。然而，滚压泵工作时滚子挤压软管会造成较大的机械剪切应力，容易导致血细胞被大量破坏(溶血)，对病人的健康带来威胁。因此，对滚压泵进行降低机械应力的优化设计是具有重要意义的。

由于机械应力很难直观地通过实验测得，而直接进行溶血实验耗费的时间较大，难以得到滚压泵参数对于溶血率的影响，因此，对于泵与风机这类流体机械，采用流体力学分析软件进行流场仿真，对包括速度、压力、剪切应力在内的参数进行预测是常用且便捷的手段。

相比于离心泵和轴流泵这类旋转式泵来说，滚压泵受挤压时产生的变形难以刻画，使得利用计算流体力学(CFD)技术来对其进行模拟仿真研究的难度较大。利用流固耦合技术虽然能够模拟出滚压泵的挤压变形，但流体分析软件和力学分析软件的联合计算以及软管大尺度的变形等因素导致计算量巨大，计算周期过长，不利于工程实际的应用。因此，有必要针对医用滚压泵设计一套结果可靠且效率高的仿真方法。

发明内容

技术问题：

在进行CFD计算时，计算的准确性和效率是需要同时被考虑的。因此首先需要解决的问题是是如何利用简化的模型来准确地描述滚压泵的运转，特别是对于其软管受挤压变形的描述。由于其非线性的变形难以用确定的解析关系式表述，因此必须对其加以简化。其次需要考虑的是如何对动边界的实时形状进行定义，由于软管由圆弧部分和线性部分组成，且在运行过程中会出现单滚子挤压和双滚子挤压两种情况，因此对于动边界的形状定义必须结合滚压泵的运行特点，设计一套有效且简便的方法。

技术方案：

本发明公开了一种基于二维CFD技术的医用滚压泵流场仿真方法，主要技术如下：

建立滚压泵的二维模型，该模型包括固定边界、动边界以及内部流场。这里的边界都由线性部分和圆弧部分构成。固定边界在仿真时保持不动，动边界的形状随着时间步的更新而更新。对于滚子挤压的变形部分用三段光滑的圆弧曲线进行模拟。于是，这个模型有如下结构参数确定：软管直径、固定壁直径、滚子半径、圆弧半径、滚子摆长、滚子数量以及阻塞角δ。阻塞角是指完全压缩时的滚子最大滚动角，其值等于泵的弧形内壁张角。

为提高计算速度，并保证网格更新时其拓扑关系不变，采用四边形网格以及映射面的方法对二维模型进行划分。采用速度入口、压力出口的边界条件，进口速度取为由测量或计算得到的平均速度，出口压力设为0。将动网格引入该CFD模型，根据每一时刻的动边界的形状，调整内部网格，并进行流场计算。

下面给出确定每一时刻动边界形状的计算方法：

第一步，假设某一滚子为一特征滚子，其初始位置角度可以由初始几何模型得到，其瞬时位置角度可以由时间t和泵的旋转速度ω计算得到。相应的，根据各滚子之间的间隔可以计算出每个滚子的瞬时位置角度。

第二步，确定滚子的三个临界位置，包括滚子即将接触软管的线性部分、滚子即将接触软管圆弧部分、滚子即将完全处于软管圆弧部分。同时利用这三个临界位置将滚子与软管的位置关系分为四种情况，包括滚子与软管不接触、滚子仅挤压软管线性部分、滚子同时挤压软管线性部分和圆弧部分、滚子仅挤压圆弧部分。