随着社会老龄化和城市化进程加快,我国居民心血管病中心力衰竭的危险因素普遍暴露,血泵作为心室辅助装置的核心部件,已广泛应用于终末期心力衰竭病人的治疗。但是,血泵内部为三维、粘性、旋转的复杂流场,在运行过程中也容易产生溶血和血栓等问题,将直接影响患者的生命安全。对血泵的内部流动特性进行研究,有助于解决血泵血液损伤的问题,对推动人工心脏的发展有着极为重要的意义。本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法对离心式血泵的内部流动特性和血液损伤进行分析,并基于仿生学原理,对叶轮叶片进行结构优化,具体研究工作如下:(1)稳态工况下离心式血泵流动特性的研究。相同流量下,低转速的蜗壳壁面压力低于高转速的蜗壳壁面压力,且随着流量的增大,蜗壳壁面压力沿流动方向逐渐增大。叶片背面出口处存在一个低压区域,造成叶轮流道内其他区域流动速度的增加。转速相同时,随着流量的增大,叶片出口处的壁面剪应力值增大;流量相同时,随着转速的增大,叶片出口处的壁面剪应力值增大。(2)心动周期内非稳态工况下离心式血泵流动特性的研究。在一个心动周期内,当进口流量增大时,血泵扬程下降;进口流量减小时,血泵扬程上升,高转速工况下血泵扬程高于低转速工况下血泵扬程。低转速下的压力增长幅值低于高转速下的压力增长幅值;低转速工况下速度增加幅值小于高转速工况下的速度增加幅值,低转速工况下血泵运行平稳时最大流速基本保持在6.1 m/s,高转速工况下血泵运行平稳时最大流速基本保持在8.7 m/s;高转速工况下叶轮叶片壁面产生的剪应力比低转速工况下叶片壁面产生的剪应力值高,叶轮叶片前端部分的剪应力值都较低,高剪应力值分布范围基本集中在叶片尾部。高转速下监测点的剪应力明显高于低转速下相应监测点的剪应力,隔舌处的剪应力高于叶片出口附近监测点的剪应力。(3)不同工况下离心式血泵血液损伤研究。基于DPM离散化模型,通过在进口面释放粒子来模拟血红细胞在离心式血泵中的流动情况以及受力情况,发现在小流量、高转速工况下,红细胞受到的剪应力最低,暴露时间中等,因此红细胞的溶血值和血栓值都是最低的;大流量、低转速工况下,红细胞受到的剪应力偏高,且暴露时间长,综合作用下导致红细胞的溶血值和血栓值最高;大流量、高转速工况下,红细胞受到的剪应力最高,但是作用在红细胞上的时间短,红细胞在血泵中的暴露时间短,因此红细胞的溶血值和血栓值偏高。(4)叶片结构对离心式血泵流动特性的影响研究。基于仿生学原理对叶轮叶片进行结构优化,研究其对离心式血泵叶轮速度场、壁面剪应力等的影响。与原模型计算结果进行对比可知,非光滑单元体减小了叶片、蜗壳壁面剪应力,改变了叶片近壁面的速度分布,降低了近壁面的速度梯度,减小了近壁面雷诺应力,降低壁面黏性阻力。本文取得的研究成果,为离心式血泵叶轮的优化设计、改善血泵的溶血性提供了指导意义。