Yeni Bir Yüksek Hızlı Kalp Destek Pompasının Sayısal ve Deneysel Analizi

Abstract

Sol ventriküler destek cihazları kalp yetmezliğine sahip hastalarda kullanılmaktadır. Rotodinamikkan pompalarının santrifüj, eksenel ve karışık akışlı olmak üzere üç tipi vardır. Eksenel akışlı kanpompaları yüksek hızlı fakat küçük çaplı pompalardır.Bu çalışmada, tasarlanan karışık akışlı (yarı eksenel) bir kan pompasının Hesaplamalı AkışkanlarDinamiği (HAD) yazılımıyla pompa karakteristiklerinin belirlenmesi ve bu karakteristiklerin deneyselolarak doğrulaması yapıldı. Pompanın tasarım noktası için 10000 dev/dak dönme hızı, 5 L/dak debi ve100 mm-Hg basınç farkı değerleri seçildi. Pompa çarkı ve difüzörünün tasarımında pompa tasarım vekatı modelleme programları kullanıldı. Belirtilen tasarım verilerine göre katı modeli oluşturulanpompanın ANSYS Fluent programı ile simülasyonu yapıldı ve ilk tasarım değerlerinin sağlamasıyapıldı. Debiye bağlı olarak basınç farkı, tork, cidar kayma gerilmesi ve hidrolik verim HAD yoluylahesaplandı. Ayrıca bu çalışmada pompa çarkını tahrik eden milin, emme hattında ve basma hattındaolduğu durumlar için ayrı ayrı HAD yazılımı ile pompa performansı belirlendi. HAD ile optimizasyonçalışmalarından sonra çarkın ve difüzörün nihai katı modelleri oluşturuldu. Bu iki elemanın prototipi,lazer sinterleme teknolojisi ile üretildi. Pompa gövdesi alüminyum malzemeden CNC dik işlemmerkezinde imal edildi. Prototip pompanın deneysel performansı, tasarım ve tasarım basınç farkınısağlayan dönme hızında, su ve hacimce %40 gliserin- %60 su kullanılarak belirlendi. Su için HAD vedeney sonuçları kullanılarak debi-basınç farkı eğrileri oluşturuldu ve tasarım noktasında başlangıçtasarım değerinden 8 torr eksik basınç verdiği belirlendi. HAD sonuçlarına göre; pompa çarkını tahrikeden milin emme hattında veya basma hattında olmasının basınç farkına ve akış çizgilerine etkisiolmadığı görüldü.

Left Ventricular assist devices are used in patients with heart failure. There are three typesof rotodynamic blood pumps: centrifugal, axial and mixed flow. Axial flow blood pumps have highspeed but they have small diameter pumps.In this study, Pump characteristics were determined with the Computational Fluid Dynamics (CFD)software of a designed mixed-flow (semi-axial) blood pump and pump characteristics wereexperimentally verified. For the design point of the pump, 10000 rpm rotation speed, 5 L/min flow rateand 100 mm-Hg pressure difference values were selected. Pump design and solid modeling programswere used in the design of the pump impeller and diffuser. The pump having a solid model according todesign data specified was analyzed with the ANSYS Fluent and verification of the initial design valueswas made. Depending on the flow rate, the pressure difference, torque, wall shear stress and yield werecalculated by CFD. In addition, the pump performance was determined by CFD software separately forthe case where the pump is driven by the shaft, the suction line and the discharge line. Afteroptimization study with CFD, the final solid models of the impeller and the diffuser were generated. The prototypes of these two elements were produced by laser sintering technology. The pump casing wasmade from aluminum material at the CNC vertical machining center. The experimental performance ofthe prototype pump was determined by water and volume of 40% glycerin-60% water at the rotationalspeed providing design and design pressure difference. Flow-pressure difference curves wereconstituted using CFD and experimental outputs for water. It has been determined that the initial designvalue of the design point is less than 8 torr. According to CFD outputs; the presence of the shaft thatdrives the pump impeller on the suction line or the discharge line has no effect on the pressuredifference and the flow line.