一种医用滚压泵流场仿真建模方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。

A flow field simulation modeling method of medical rolling pump

【技术实现步骤摘要】
一种医用滚压泵流场仿真建模方法
本专利技术涉及一种医用滚压泵流场仿真建方法技术，属于滚压泵

技术介绍
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。
技术实现思路
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：本专利技术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。第三步，除了第一种挤情况，算出其余三种情况下三段圆弧曲线起始点的控制角度，并利用这些控制角度将动边界上的所有点进行分类，确定它们所属的曲线段。上述控制角度是指动边界上被挤压处连续的三段圆弧的四个端点的位置角度。第四步，计算当前时刻动边界上每个点的坐标。其中，未受挤压的部分点位置不变，而处于挤压部分的点的位置，则根据各段圆弧与泵旋转中心点的关系计算得出。利用计算机语言编写上述确定边界形状的程序，并将其加载进CFD软件。在每一次时间步更新后，动边界上所有点的位置都被确定，从而得到实时的动边界形状。CFD软件根据当前的边界和网格对流场进行求解，当满足收敛条件后则进入下一时间步，直到满足设定的总时间。将每个时间步的结果加以储存即可得到滚压泵瞬态的流场结果。有益效果：本专利技术建立了一种基于二维CFD技术的医用滚压泵流场仿真方法，利用完全参数化的二维模型作为仿真的初始模型，利用三段光滑的圆弧曲线来模拟受挤压软管的变形，并给出边界实时形状的计算方法。所建立的二维模型基本包含医用滚压泵的所有结构参数，且引入了阻塞角这一被工程师忽略了的重要参数。通过运行发现，程序计算速度较快，计算的结果基本能够反映滚压泵流场的变化情况。由于其完全参数化的建模过程及较高的精度和计算效率，本专利技术可以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。附图说明图1为本专利技术的原理图；图2为医用滚压泵二维模型图；图3为滚子即将接触软管的线性部分的临界位置示意图；图4为滚子即将接触软管圆弧部分的临界位置示意图；图5为滚子即将完全处于软管圆弧部分的临界位置示意图；图6为对于第三种挤压情况求解控制角度的示意图。具体实施方式参见附图2，建立滚压泵的二维模型，包括固定边界、动边界以及内部流场。软管受挤压处的变形由三段相切的圆弧曲线表示，参见附图2。这个模型包括如下结构参数：软管直径d、固定壁直径D、滚子半径r、圆弧半径R、滚子摆长L、滚子数量N以及阻塞角δ。其中阻塞角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。挤压圆弧半径是指受滚子挤压造成的。将二维模型导入有限元分析软件，采用四变形网格以及映射面的方式对模型进行网格的划分，网格精度应满足网格无关性的要求。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，流体的材料设置为血液。其余求解设置则可以采用惯常设置，对结果影响不大。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。下面给出确定动边界形状的计算表达式：为方便建模，以泵旋转中心为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴建立坐标系。假设某个滚子为特征滚子，α0和α1是该滚子的初始位置角度和瞬时位置角度。αn为其余各滚子的瞬时位置角度，这里1＜n≤N。于是结合泵的转速ω和当前时刻t可以得到各滚子的瞬时位置角度表达式：根据滚子的位置可以有如下三种临界情形:1)滚子即将接触软管的线性部分(附图3)；2)滚子即将接触软管圆弧部分(附图4)；3)滚子完全处于软管圆弧部分(附图5)。这三个情况下滚子的y轴高度可以表达如下：式中：于是，根据滚子挤压软管可以有如下4种情况：1)yA＜h1时，滚子与软管不接触；2)h1≤yA＜h2，滚子仅挤压软管线性部分；3)h2≤yA＜h3，滚子同时挤压软管线性部分和圆弧部分；4)yA≥h3，滚子仅挤压圆弧部分。对于软管受挤压的部分，其三段本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种医用滚压泵流场仿真建模方法，其特征在于，步骤如下：/n(1)用三段光滑的曲线来模拟滚压泵软管被挤压造成的变形，并根据泵的结构参数建立其参数化的二维模型；/n(2)将二维模型进行网格划分并导入CFD软件中进行求解设置；/n(3)根据滚子的三个临界位置将挤压情况划分为四种，求出各挤压情况下三段圆弧曲线起始点的控制角度，并依据控制角度分别求得每段圆弧上点的位置，从而确定整个动边界的形状；/n(4)将定义动边界形状的过程编写为程序语言，并加载进CFD软件进行仿真计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种医用滚压泵流场仿真建模方法，其特征在于，步骤如下：
(1)用三段光滑的曲线来模拟滚压泵软管被挤压造成的变形，并根据泵的结构参数建立其参数化的二维模型；
(2)将二维模型进行网格划分并导入CFD软件中进行求解设置；
(3)根据滚子的三个临界位置将挤压情况划分为四种，求出各挤压情况下三段圆弧曲线起始点的控制角度，并依据控制角度分别求得每段圆弧上点的位置，从而确定整个动边界的形状；
(4)将定义动边界形状的过程编写为程序语言，并加载进CFD软件进行仿真计算。


2.根据权利要求1所述的一种医用滚压泵流场仿真建模方法，其特征在于：所述步骤(1)中泵的结构参数包括软管直径、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。


3.根据权利要求2所述的一种医用滚压泵流场仿真建模方法，其特征在于：所述阻塞角为完全压缩时的滚子最大滚动角，最大滚动角的值等于泵的弧形内壁张角。


4.根据权利要求1所述的一种医用滚压泵流场仿真建模方法，其特征在于：所述步骤(2)中，利用四边形网格和映射面的方法对二维模型进网格划分。


5.根据权利要求1所述的一种医用滚压泵流场仿真建模方法，其特征在于：所述步骤(2)中CFD求解设置包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙蓓蓓，周阳，陈林，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32