计算流体动力学流模型和Fontan空腔肺辅助装置的实验研究
Shreyas Sarfare1, Md Shujan Ali1, Alan Palazzolo1
1Department of Mechanical Engineering, Texas A&M University, College Station, TX 77843.
Journal of biomechanical engineering
|August 3, 2023
概括
计算流体动力学 (CFD) 模型被测试为Fontan空腔肺辅助装置 (CPAD). 标准k-epsilon模型最好地预测了压力头,而SST模型准确地预测了CPAD设计的扭矩.
科学领域:
- 生物医学工程 生物医学工程
- 流体动力学 流体动力学
- 医疗器械设计 医疗器械设计
背景情况:
- 丰田腔肺辅助器件 (CPAD) 需要专门的计算流体动力学 (CFD) 模拟.
- 传统的雷诺兹-平均纳维尔-斯托克斯 (RANS) CFD模型,通常用于心室辅助器件 (VAD),由于其独特的设计 (卡曼具有很大的空隙),显示CPAD的局限性.
- 高保真性大模拟 (LES) 是准确的,但对于商业优化而言往往成本极高.
研究的目的:
- 将各种RANS CFD流模型与实验数据和LES结果进行基准测试,用于CPAD模拟.
- 为CPAD设计和分析的不同方面确定最适合的CFD模型.
- 为CPAD开发提供有关选择成本效益较高的CFD方法的指导.
主要方法:
- 实验性头部流量 (HQ) 曲线被测量为一个CPAD使用血液代用品在一个模拟的循环循环.
- 多个RANS流模型 (标准k-ε,再正常化组k-ε,可实现的k-ε,SST k-ω,具有过渡流的SST,通用k-ω) 用于CFD模拟.
- 模拟结果与实验测量和高可靠性LES数据进行了比较.
主要成果:
- 标准k-ε模型与实验压力头预测的最佳一致性.
- 与LES相比,RANS模型显示头部和功率预测的准确性不同.
- SST和LES模型的扭矩值几乎相同,而k-ε预测比LES低约30%.
结论:
- 对于 Fontan CPAD 开发,建议 LES 用于最终设计模拟.
- k-ε模型适用于一般流量和压力头模拟.
- 建议使用SST模型来预测功率,剪切应力,血液溶解和血栓性.
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