基于离散元法的血细胞颗粒破碎机理及血泵溶血指数模型研究

Blood pump is an important auxiliary device to save lives for patients with cardiovascular disease or heart disease. It is not only to meet the body's blood circulation hydrodynamic performance, but also to meet the physical properties of blood. However, most of the conventional blood pump designed from the start of macro indicators of blood circulation, and most of the physiological indicators of blood coming from the experiment, cannot accurately reveal the true causes of blood cells particle crushing in the design stage of the blood pump, which had greatly influenced the further development and clinical application of blood pump. Based on the particle discrete element method (DEM) and CFD-DEM coupling techniques, a biconcave ellipsoid red blood cell (RBC) contact model with real geometry, mechanical properties of erythrocyte is put forward. Through studying on some scientific issues, such as the RBC rheological dynamics characteristics, the DEM 3-D particle broken dynamical behavior, the complex liquid-solid-gas multiphase flow distribution law, blood cell particle collision, cavitation breakage mechanism is revealed. The prediction model is established with blood cell mechanical properties and blood rheological coupled hemolytic based on CFD-DEM Technology. Then, a design method for blood pump is proposed to meet the RBC microscopic physiological performance and the blood macroscopic hydrodynamic performance.

血泵作为挽救心血管疾病和心脏病患者生命的重要辅助装置，它既要满足人体血液循环流体力学性能，更要满足血液生理指标，然而常规的血泵设计大都从宏观血液循环指标入手，而对血液生理指标基本上从实验中来，不能在血泵设计阶段准确的揭示血细胞颗粒破碎的真实成因,极大地影响了血泵的进一步发展和临床应用。本项目基于颗粒离散元法提出一种接近真实几何、力学特性的双凹软椭球红细胞接触模型，通过研究分子尺度的血细胞流动、流变特性、血细胞三维DEM颗粒破碎动力学行为以及复杂液固气多相流运动分布规律等科学问题，揭示血细胞颗粒碰撞、空蚀破碎机理，建立基于CFD-DEM技术的血细胞力学特性与血液流变耦合溶血指数模型，提出一种同时满足血细胞微观生理性能和血液宏观流体力学性能的血泵设计方法。

血泵流场导致的细胞破碎溶血是制约植入性能的关键，传统的 CFD方法无法从细胞运动与受力角度揭示破碎溶血的成因与损伤过程，难以准确实现血泵在设计阶段的溶血分析。.项目根据血细胞的生理结构和力学特性建立了适用于离散元法的双凹椭球细胞模型，提出了结合离散元法的CFD-DEM耦合多相流场仿真方法；采用所提出的CFD-DEM耦合仿真方法和PIV流场粒子图像测速技术，获取了血泵流场的微观多相流场特征和细胞颗粒动力学特性，建立了细胞颗粒运动、受力、碰撞等状态统计学计算下的溶血指数模型，提出了满足细胞生理性能和水力循环能力的血泵关键结构设计方法。.项目主要取得了以下研究进展与创新：.1、提出了结合离散元法的CFD-DEM耦合多相流场仿真方法，突破传统方法无法获取细胞动力学状态和损伤破碎力学过程的问题，建立了细胞颗粒运动、受力、碰撞等状态统计学计算下的溶血指数模型。.2、建立了血泵PIV流场粒子图像测速实验系统，结合所提出的CFD-DEM方法得完成了血泵颗粒多相流场的特征分析，揭示了剪切应力、碰撞等因素对细胞溶血破碎的影响机理。.3、结合提出的CFD-DEM方法和血泵PIV实验系统完成了微观颗粒多相流场的模拟和实验分析，证明CFD-DEM方法达到了准确获取细胞溶血动力学损伤状态的计算效果，揭示了血泵流场中细胞颗粒运动、受力、损伤的动力学特性。.4、提出了结合生理溶血与水力性能要求的血泵关键结构设计方法，采用阿基米德型线叶片和分流叶片结构，实现了在不提高溶血损伤前提下的血泵循环水力性能提升。