轴流血泵最佳左心辅助下的 速度变化及内流场分析

为解决轴流血泵恒压或恒转速辅助时产生的抽吸或反流现象,以自主研发的主动脉瓣轴流血泵为研究对象,建立“轴流血泵-血液循环系统”串联耦合多尺度参数模型,得到血泵变转速辅助时在各级心衰条件下达到最佳辅助状态时的转速变化曲线.相比恒转速辅助,变转速辅助的血流动力学结果与正常心脏的拟合度更高,也符合人体生理.采用CFD技术对Ⅳ级心衰下2种辅助状态在一个心动周期中的内流场进行比较分析,发现变转速辅助下,轴流血泵在等容收缩期、等容舒张期、充盈期会产生明显的涡流,过流时间较长,但剪切应力较小,不会造成溶血;在射血期,变转速辅助的流动更加稳定,没有涡流现象产生,但其剪切应力在0.10 s内高于临界值500 Pa,会产生溶血现象.     

基于热致液晶弹性体的仿生心脏泵的设计

为设计一款仿生心脏功能较佳的心室泵,采用柔性、热致伸缩的热致形变弹性体代替心肌,根据螺旋心室心肌带理论,选择心肌带的左心室段,并选取了Hilbert平面填充曲线作为热致导体在热致形变弹性体中的走行方式,设计出与真实心脏类似的心室泵结构.通过试验测量了所设计的心室泵的射血分数与心率,结果显示该心室泵的搏出量高于自然心脏,而其心率远低于自然心脏.相对于机械泵,所设计的心室泵结构与真实心脏类似,具有收缩能力强,射血分数高的优点,且不易破坏血细胞,生物相容性较好.不足之处在于,热致动液晶弹性体变形响应慢,暂时还未能达到正常心脏的心率.论证了构建双稳态结构,提高仿生心室泵效率的可能性,以及对于心肌纤维走向较为复杂的其他心肌带段,双轴拉伸机械雕刻对其仿生的可能性.此研究可为容积心脏泵的研发提供新的思路,也可以对右心衰竭等心脏疾病起到辅助治疗的作用.     

可控关闭体积心脏瓣膜模型

为了准确描述心脏瓣膜血液动力学特性及其在心血管系统中的应用,根据电液比拟,将其建模为1个变电阻和1个电流源并联然后和1个恒电感串联的瓣膜模型,并建立了左心循环系统的电路图及数学方程.并联元件把流经瓣膜的血流量分成2部分：流经瓣膜孔口的流量和瓣叶运动过程中排挤的血流量.流阻依赖瓣叶位置,另外给定符合关闭体积和时间的瓣叶关闭过程.以二尖瓣为例进行Matlab数值模拟,结果表明：该模型能准确模拟瓣膜关闭反流和泄漏体积的反流特性,正常情况下心脏每搏输出量63.60 mL,心输出量4.58 L/min,二尖瓣关闭体积为3.30 mL,二尖瓣泄漏体积为2.30 mL,反流分数为7.56%;反流病理条件下,二尖瓣关闭体积为14.70 mL,泄漏体积为25.40 mL,反流分数为40.48%.该模型可以模拟瓣膜正常功能和反流病理的血液动力学.     

心衰脉动过程两级轴流血泵溶血数值模拟

为了理解血泵脉动运行时流动对血液造成的损伤,建立了血泵和心血管循环系统多尺度模型.多尺度模型将零维尺度的心血管循环集中参数模型和三维尺度的轴流血泵内部流动分布式参数模型相结合.以两级轴流血泵为例,用Matlab仿真得到一个心动周期中两级轴流血泵的动态进出口压差和流量变化.其次,根据血泵内血流动力特性,将动态工况分段划分,并以这些流量作为准静态工况进行溶血程度计算.最后,将一个心动周期中准静态工况的溶血程度做时间加权平均,得到平均溶血程度值.结果表明,在一个心动周期中,由于血泵本身惯性的影响,使瞬态进出口压差-流量特性曲线呈一闭合的环状.同时,溶血程度大小在一个心动周期的变化规律和流量变化趋势相反,和进出口压差变化趋势相同.综上所述,多尺度模型的计算方法可以预估血泵在心衰脉动运行时的平均溶血程度.     

基于正弦转速调制的离心旋转血泵温度场分析

为研究转速调制引起的血泵内部流场温度变化是否会导致血液损伤,应用计算流体动力学方法对旋转血泵运行时的全流道流动过程进行数值模拟.计算中采用动态压力拟合公式作为进出口边界条件,选择在换热领域精确度更高的SST湍流模型.计算叶轮分别在匀转速状态和正弦调制转速状态下不同时刻的温度分布、温度升高到39~43 ℃时的潜在高温风险区域以及大于43 ℃时的极端高温风险区域在血泵中的位置分布和各区域的体积大小,同时结合血泵结构对比分析了其内部的动态温升变化情况.研究结果表明:血泵流场在正弦调制转速时的温升高于匀转速状态下的流场,并产生高温风险区域;温升与血泵的叶轮结构密切相关,高温集中在靠近下泵壳的叶轮前缘和内侧;2种转速工况对血泵进出口处的血液温度影响均在2 ℃的安全浮动范围内,不会对血泵外部的血液造成损伤.     

不同叶片型式旋流泵能量转换机理分析

针对旋流泵内部流动结构形式所引起的整机效率下降问题,以卧式150WX-200-20型旋流泵为研究对象,进行旋流泵水力和结构设计,运用Pro/E三维设计软件建立前弯型和后弯型两种折叶片三维模型。设计6组前弯和后弯叶片为对照组,采用CFD流体计算软件进行数值计算,以两种折叶片组成叶轮型式为研究对象,结合叶片进出口速度三角形,对旋流泵不同叶轮的做功过程和能量损失过程进行了分析,从而找到两种不同叶轮型式下的能量损失传递转换机理。研究发现,对于旋流泵效率而言,在设计流量点之前,前弯叶轮的效率高于后弯叶轮效率;在设计流量点之后,后弯叶轮效率高于前弯叶轮效率。对于两种不同型式的叶轮,在设计流量点之前,前弯叶片的做功能力更强,能量损失更小;在设计流量点之后,后弯叶片的做功能力更强,能量损失更小。     

高原环境车用柴油机与辅助系统耦合仿真

采用喷雾模拟试验与优化算法对柴油机缸内准维模型进行高原试验修正和校正,运用直接耦合方法,建立具有变海拔适应性的某重型车辆动力装置(柴油机及辅助系统)工作过程全耦合数值仿真模型:根据准稳态流动的统一化阻力和传热方程,建立车辆进气系统阻力模型;基于一维非稳态可压缩流体动力学理论和传热理论,建立喷油系统工作模型;考虑润滑油对传热量的影响,建立柴油机冷却系统模型;各辅助系统模型与柴油机工作过程实现耦合计算,即计算中柴油机与辅助系统的边界条件双向实时传递.试验验证了耦合仿真的准确性.结果表明:海拔高度4 500 m,外特性工况,功率最大下降45％,燃油消耗率最大增加71％;高原缸内热流分布中需要冷却液带走的热量比平原增加48.6％;活塞-缸套-缸盖温度场整体升高,最高温度增加85 ～91 K.海拔高度3 700 m,水泵扬程最大下降3.9m;单独增加水泵流量,散热器进出口水温整体升高.     

核主泵空化流动对能量转换的影响

为研究核主泵内部空化流动对能量转换的影响,采用RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对设计工况下核主泵模型泵进行了全流场空化模拟,得到核主泵发生空化时叶轮内气泡分布规律.选取叶片吸力面的前盖板流线和后盖板流线,通过分析不同空化工况下这两条流线上的动扬程与静扬程变化规律,研究核主泵发生空化时,空化流动对叶轮内能量转换的影响.结果表明:核主泵内流体的能量主要由叶轮中后段提供,且从前盖板到后盖板,叶片做功能力逐渐减弱;空化干扰叶轮内流体流动,导致空化区域相对速度增大,压力减小,在气泡密集区域,叶片做功能力几乎为0;随着空化程度加剧,无空化区动扬程增大,静扬程减小,且静扬程减小幅度大于动扬程增大幅度,从而引起泵扬程和效率下降;随着空化程度加剧,动、静扬程突变程度加剧,增大了叶轮内的流动损失,进而导致泵扬程及效率进一步下降.     

叶片出口边侧斜对船用离心泵外辐射噪声的影响

以125CLLA-13型船用离心泵为研究对象,分析叶片出口边侧斜对船用离心泵外辐射噪声的影响.首先对出口边非侧斜和侧斜2种叶轮模型泵进行了全流场瞬态数值计算,提取蜗壳及泄漏流道壁面脉动激励作为载荷,对原模型泵进行基于模态响应的振动计算,并试验验证了振动噪声数值预测的可行性.进一步以提取的载荷对2种叶轮模型泵进行了基于声振耦合的外辐射噪声计算,结果表明:相同工况下2种叶片出口方式模型泵声功率频谱变化趋势基本一致,侧斜出口模型泵声功率级明显低于非侧斜出口模型泵声功率级LW,声功率级均在叶频(BPF)处最大,且叶频处声功率级在设计工况下最小,在小流量工况下最大;离心泵外辐射噪声分布具有一定偶极性和指向性,各工况下侧斜出口模型泵指向性声压整体较非侧斜模型泵有所减小,设计工况下指向性声压最小,小流量工况下指向性声压最大,从降噪角度考虑,侧斜出口方式优于非侧斜出口方式.该研究可为船用离心泵减振降噪设计提供参考.     

阻力叶片对升阻复合型垂直轴风力机气动性能的影响

为了获取更多的风能,针对升力型垂直轴风力机趋于大型化设计而造成的垂直轴风力机起动困难的问题,提出了一种升阻复合型的新型垂直轴风力机.在保持其升力叶片不变的前提下,利用Fluent数值模拟,建立9种升阻复合风力机数值模型,研究了阻力叶片圆弧半径和相对主轴的距离对其起动性能与运行效率的影响规律.得到阻力叶片最佳的尺寸与位置组合后,与纯升力型的垂直轴风力机进行了比较. 结果表明:在起动性能方面,阻力叶片圆弧半径与相对主轴的距离越大,风力机的起动性能越好.在运行效率方面,当尖速比为0.5~1.0时,阻力叶片圆弧半径和相对主轴的距离的变化,对风力机功率系数影响不大;当尖速比超过1.0之后,阻力叶片圆弧半径与相对主轴的距离变大,会使风力机的功率系数减小.升阻复合型风力机虽运行效率有所降低,但起动性能明显提升.     

双联轴向柱塞泵配流盘优化与流量脉动特性分析

针对双联轴向柱塞泵配流盘在脱离吸油和排油时,柱塞腔存在闭死压缩和闭死膨胀阶段,造成柱塞腔气穴现象和压力正超调或负超调,引起流量和压力突变产生大的噪声问题,提出了一种配流盘结构。首先建立柱塞泵流动特性数学模型,分析轴向柱塞泵噪声产生机理;然后设计新配流盘结构并优化匹配三角阻尼槽结构参数,建立过渡区压力特性方程,通过理论模型对比分析,新配流盘能降低柱塞腔在过渡区产生的压力冲击。为了验证新配流盘结构对整泵流量和压力影响,采用液压仿真软件AMEsim建立双联柱塞泵模型,通过实验测试对比分析,验证了模型正确性。在相同工况下,将新配流盘和原配流盘代入整泵模型中,结果表明新配流盘流量脉动率比原配流盘流量脉动率降低了6.75%,证明新配流盘能很好地降低流体脉动。同时该模型为制造样机提供了理论基础,可降低新产品开发成本。     

V/F控制模式下恒压泵动力源特性研究

为使液压动力源在负载多变条件下降低能耗提高效率,实现灵活多变的输出流量、压力和功率控制,提出采用变频V/F控制模式下,控制三相异步电机,驱动恒压泵作为液压动力源,实现压力、流量和功率复合控制的高能效电液动力源。针对变频启动慢的问题,在主回路上并联可控蓄能器,采用蓄能器辅助启动。确立了恒压泵、变频器、电机各部分的计算模型以及AMESim软件下的仿真模型和试验原理。进行了动力源压力恒压特性仿真与试验,结果表明恒压仿真模型较准确。P-Q试验表明,利用先导压力阀控制压力动态响应时间不超0.2s,超调不高于15%;流量动态特性差,利用蓄能器辅助启动,带载80MPa转速达到1500r/min,启动时间不超0.2s。功率试验结果表明,高压小流量和非工作周期压力卸荷工况,电机转速由1500r/min降至450r/min,电机功率分别降低70.3%和64.8%;恒压模式下大排量、低转速可以使该试验系统能耗降低约3.8kW。     

同井泵抽系统油水分离效率与泵功图仿真模型研究

针对高含水油田所带来的开采问题,基于所建立的数学模型,分别计算了注入泵、采出泵进入口气液比,油、气的分离效率,得出气液比、分离效率之间的影响关系。综合考虑柱塞的运动规律、泵筒内流体的可压缩性,建立了泵筒内流体流动的连续流方程。根据连续流方程,建立了柱塞运动规律、泵筒内液体压力与泵筒气体体积之间相互关系的数学模型,从而建立了泵筒内液体瞬时压力与泵示功图的仿真模型。仿真实例表明:当生产燃油比GOR增大时,泵筒内的气体增多,注、采双泵游动阀与固定阀开启时间滞后;当生产燃油比GOR增大到一定程度时,注、采双泵泵腔内的气体体积足够大,不仅会导致上冲程时游动阀打不开,甚至下冲程固定阀也有可能打不开,抽油泵出现“气锁”现象,影响泵的正常工作。     

泵站加压与重力自流联合供水工程的停泵水锤防护

针对某首部泵站加压与重力自流相结合的长距离、高落差输水工程,基于瞬变流计算中常用的特征线法建立了全系统水力过渡过程数学模型,模拟了系统停泵水锤全过程.为了解决水泵机组掉电后管道中出现的负压问题,提出了在泵后采用空气罐的防护方案,并对空气罐参数进行优化设计,确定了较优的空气罐体型;于管道最高点处设置高位水池,水池后的重力...     

Computational fluid dynamics of left ventricular assist device under unsteady flow

Left ventricular assist device (LVAD) in this study is a mechanical tool that is used to support blood flow in the patient with heart disease. It supports left ventricle by building up the pressure to the pump outlet connected to the aorta. This pump was designed based on the magnetic driven centrifugal pump with a unique small washout hole constructed inside the impeller to generate the washout flow passage to prevent the stagnation at the region underneath and around the rotor. Computational fluid dynamics (CFD) was adopted in this study to assess the performance and optimize the design to avoid recirculation and high shear stress which is the main cause of stagnation and blood damage. Transient simulation was used for this study due to the asymmetric design of the washout hole and the complication of the bottom support of the impeller that have a risk of thrombosis, also, it was used to predict the variation of hydraulic performance caused by the rotation of the impeller and pulsed flow at the pump inlet. The simulation results show no excessive stress and no recirculation observed within the computational domain; in addition, the research result also provided information for further optimization and development to the pump.     

空气阀在多水源高扬程供水工程中的水锤防护研究

【目的】研究多水源高扬程供水工程在断电停泵时的水力过渡特性及其水锤防护措施。【方法】基于一维瞬变流理论和特征线法,对空气阀采用自由气体空穴理论,建立供水系统整体数学模型。针对无防护措施下的断电工况过渡过程计算结果,选择在水泵出口侧和扬水管地面段末端设置快关式逆止阀,在供水管道局部高点设置空气阀的联合水锤防护措施,并进行了空气阀参数的敏感性分析。【结果】在未采取水锤防护措施时,在水泵出口侧发生较大压降且供水管道沿线最低内水压力严重超标。在采取合适的水锤防护措施后,在断电工况下,水泵无反转且泵后最小压力不低于-5m,泵后扬水管最小压力不低于-5m,供水主管最大压力不超过160m,最小压力不低于-5m。【结论】空气阀可对水泵出口侧和供水管道的负压起到很好的控制效果。     

基于CFD的球阀三维流场数值模拟

为了探索新型转子式油气混输泵出口球阀内流场规律,建立球阀流场的三维模型,利用Fluent软件,将标准k-ε湍流模型与多相流技术相结合,采用SIMPLE算法,对新型转子式油气混输泵出口球阀内的三维气液两相流场进行数值模拟.在容积含气率为25％,50％,75％的不同工况下,通过对球阀开启高度分别为3,5,7 mm时的速度场、压力场与气液相分布的分析,探讨在气液混输过程中阀的开启高度及不同气液比对阀内流场的影响规律.模拟结果表明:球阀开启高度越大,阀球上下压差越小;阀隙流速随着开启高度的增大而减小.在气液混输过程中气相介质主要靠近阀球壁流动,同一开启高度下气液比对阀隙流速的影响较小.研究结果直观展现了球阀内流场形态,在一定程度上揭示了气液两相介质在阀内的流动规律,为新型转子式油气混输泵出口球阀的设计与优化提供理论指导.