عنوان پایان‌نامه
طراحی و تحلیل عددی پمپ خون با در نظر گرفتن محدودیت های بیو لوژیکی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی-ماشینهای آبی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3523;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79364;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3523;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79364
- تاریخ دفاع
- ۰۵ شهریور ۱۳۹۲
- دانشجو
- امیراحمد زارع
- استاد راهنما
- سیداحمد نوربخش, علیرضا ریاسی
- چکیده
- با توجه به اینکه بیماری های قلبی و عروقی آمار نخست را از لحاظ مرگ و میر در جهان دارند، به وسایل کمک کننده ای نیاز است که به قسمت چپ بطن قلب کمک کنند. بدین منظور، توسعه پمپ پیوسته خونی گریز از مرکز (CBR) برای بیماران قلبی و عروقی امری حیاتی می باشد. در توسعه چنین وسایلی، فاز طراحی به خاطر قیدهای مکانیکی و پزشکی مانند نیاز به اندازه های کوچک، راندمان بالا و زیست سازگاری بسیار چالش برانگیز است. همچنین به منظور برآورده کردن ملزومات طراحی، به دست آوردن یک جریان منظم درون پمپ لازم است. از آن جا که عمده رفتار جریان توسط هندسه پمپ به‌دست می‌آید، روش های مختلف تعیین مقادیر پارامترهای هندسی مورد بررسی قرار گرفته اند. روش های طراحی مشتمل بر فرایند طراحی یک- بعدی و تحلیل های دینامیک سیالات محاسباتی هستند. در این پایان نامه تاثیر تغییر تعدادی از پارامترهای پمپ مصنوعی خون بر میزان همولیزه شدن خون به عنوان یک آسیب مهم و خطرناک برای خون، بررسی گردیده است. هدف از انجام این پروژه: 1- آشنایی با پمپ‌های خون و عوامل موثر در عملکرد آن‌ها، 2- مدل‌سازی پدیده‌ی همولیز خون در درون پمپ و 3- بررسی تاثیر تغییر تعدادی از پارامترهای پمپ بر میزان رخ دادن این آسیب خونی است. برای این کار، ابتدا با استفاده از اصول طراحی پمپ، یک هندسه‌ی اولیه به عنوان یک پمپ خون (با توجه به دبی و هد فشاری متناسب با خواص فیزیولوژیکی قلب) تهیه شده است. سپس با استفاده از نرم‌افزارهای مربوطه، یک شبکه‌ی عددی (مش) برای فضای درون پمپ تهیه شده است. برای حل عددی، پمپ مربوطه توسط نرم‌افزار CFX مدل‌سازی و به کمک این نرم‌افزار، به روش حجم محدود حل شده است. با توجه به سرعت‌های بالای سیال درون پمپ، خون به عنوان یک سیال نیوتونی در نظر گرفته شده است. برای مدل‌سازی توربولانس، با توجه به اهمیت تنش برشی در نزدیک دیواره‌ها در این پروژه، از مدل SST استفاده شده است. برای مدل‌سازی ریاضی همولیز، از رابطه‌ی توانی گیرزیپن که همولیز را به صورت توانی به تنش برشی وارد بر خون و مدت زمان تاثیر این تنش بر خون مرتبط می‌داند، استفاده شده است. برای محاسبه‌ی کل همولیز رخ داده بر پایه‌ی این رابطه، از روش اولری استفاده شده است. طراحی پره نیز به صورت ایرفویلی و غیر ایرفویلی انجام شده است. در هر کدام از این نوع پره ها حالت های مختلف بررسی و با هم مقایسه شده اند. پره های کاملا شعاعی مدل و بررسی شده اند. سپس در حالت پره های بک وارد، برای هر یک از پارامترهای سرعت دورانی پمپ، تعداد پره‌ها، پهنای خروجی پره‌ها و ضخامت پره‌ها، سه حالت در نظر گرفته شده و تمامی محاسبات برای هر حالت تکرار شده است. در پایان، تغییر میزان همولیز با تغییر هر پارامتر بررسی و مقایسه گردیده است. شرایط طراحی لازم (نرخ جریان lit/min5 در مقابل اختلاف فشار mm-Hg100) به‌دست آورده شده است. تحلیل های تنش برشی و بردارهای سرعت، هیچ گونه خطری از نظر همولیز یا ترومبوژنیسیتی را برآورد نمی‌کنند. بنابراین روش طراحی پیشنهادی به طور موفقیت آمیزی به کار برده شد و نتایج قابل قبولی را ارایه کرده است. دیده شده که پره غیر ایرفویلی آسیب کمتری را نسبت به پره ایرفویلی به خون وارد می کند. همچنین، با افزایش سرعت دورانی پمپ، میزان همولیز به علت افزایش سرعت و در نتیجه افزایش نرخ برش در درون پمپ، افزایش می‌یابد. همین طور برای تعداد پره‌ها، با توجه به افزایش تنش های برشی ناشی از ایجاد جریان‌های بازگشتی و جدایش با کاهش تعداد پره‌ها، و افزایش تنش برشی با کاهش سطح مقطع پیش روی سیال در حالت افزایش تعداد پره‌ها، از بین حالات متداول، تعداد 6 پره بهترین حالت است. در مورد پهنای خروجی پره (پمپ) نیز دیده شد که با کاهش این پهنا، به دلیل کاهش فضای حرکت سیال و در نتیجه افزایش تنش برشی، همولیز به شدت افزایش می‌یابد و سرانجام این که، با کاهش ضخامت پره‌ها از حد خاصی، کاهش محسوسی در میزان همولیز رخ می‌دهد که احتمالا، به دلیل افزایش فضای حرکت خون در بین پره‌ها است.
- Abstract
- Left ventricular assist devices (LVADs) are highly needed to use against cardiovascular diseases which are statistically the number one cause of death worldwide. In this respect, development of a continuous centrifugal blood pump (CBP), is very significant for patients with cardiovascular disease. In development of such a device, design phase is highly challenging due to both mechanical and medical constraints such as the need of a small-size, high efficiency and biocompatibility. Design tools included one-dimensional (1-D) design procedure and Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses. In this thesis, effects of a number of blood pump parameters on hemolysis as one of the main blood damages have been studied. In this respect, an initial design based on operating conditions proportionate to the physiologic properties of heart is chosen. A numerical grid with the help of associated software is produced next. The designed pump has been modeled with the CFX software and the numerical solution has been applied by the finite volume method. Blood is considered as a Newtonian fluid Due to the high velocities of the fluid inside the pump. SST model has been used as the turbulence model. Hemolysis has been theoretically modeled with the help of Giersiepen power law model which relates hemolysis to the shear stress acting on the blood and exposure time and Eulerian approach has been implemented. Different blade geometries which include blades with the airfoil geometry versus conventional blades and, radial versus backward ones has been modeled and effects of rotational speed, number of blades, blade outlet width and blade thickness on hemolysis has been investigated. Results show that conventional blade has less blood damage compared to the blade with the airfoil geometry. Also, index of hemolysis is increased by the higher numbers of the rotational speed due to the increase in the velocity and resulting increase in the shear rate inside the pump. Decreasing the number of blades will result in the increased shear rates due to the creation of backflow and separation and increasing this number has the effect of increased shear stress due to reduced cross sectional area available for the fluid. Therefore, the optimal number of blades is six. Keywords: Centrifugal Blood Pump, Geometric parameters, Computational Fluid Dynamics, Hemolysis.
