FLUENT医疗器械案例之一

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1 前言

CFD技术在工业新产品开发过程中是一个强大的工具，降低成本、加快研发速度是其具备的优势。在医疗器械领域，CFD技术已被用于心室辅助装置、人工心脏瓣膜、支架、血液过滤器、外周血液透析套管等产品的开发。今天，我们基于参考文献资料做一个简化的医疗器械的案例，模拟其中血液的流动。文献采用粒子图像测速技术（PIV）获取的大量的实验数据，可以用作CFD的benchmark了，文末会将官网分享给读者，网站提到了若有引用了他们的实验数据，建议告知他们，当然这更多指的是学术文章的发表吧。

2 建模与网格

建立如下的三维模型，实际上是渐缩管和突扩管的组合模型。划分全六面体网格，节点数约95万，最小正交质量0.77。为了更好和实验数据对比，建议读者建模时的坐标选择参考下图（流动方向+z）。

3求解设置

介质（血液）的密度1056kg/m³，动力粘度0.0035Pa·s。

入口为速度入口，出口为压力出口（表压0Pa），壁面为无滑移壁面，表面粗糙度50μm。

本文计算了模型基于喉部尺寸的流动雷诺数为500和5000两种情况，对于前者，整个计算域内均为层流，而对于后者，基于平均速度和管道直径的雷诺数下，喉部为湍流，其余部分为层流。

当存在湍流流动时，选择SST k-ω湍流模型。同时，本案例采用三种计算方式来处理喉部雷诺数为5000的情况，第一种是全计算域都计算层流，第一种是全计算域都计算湍流，第三种是对除了喉部以外的其他区域强制设定为层流区域（如下图）。

4计算结果

首先看一下喉部雷诺数为500的速度分布，喉部下游管道壁面四周都存在回流，这一点在实验中也被测得。

再看一下喉部雷诺数为500时流动方向上轴向速度变化规律，可以看出计算结果和实验结果还是相当接近的。

对于喉部雷诺数为5000的情况，三种计算方式的速度分布如下，可以看出喉部上游不管采用湍流还是层流，速度基本一样，而下游则有非常大的区别，说明其中有个方式是不正确的。

最后我们看一下喉部雷诺数为5000时，三种计算方式的轴向速度的计算结果和实验结果的对比。可以看出，虽然从基于平均流速和直径计算的雷诺数来看，喉部下游流动为层流，但是喉部的湍流必然会向下游发展一段距离而不是发生状态的跃变，所以下游按层流计算的结果与实验结果相差甚远，是不正确的。

本文仅对有限的数据进行了对比，更多的实验数据请从以下官网获取。

参考文献

Assessment of CFD Performance in Simulations of an Idealized Medical Device: Results of FDA’s First Computational Interlaboratory Study

来源：仿真与工程

湍流

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首次发布时间：2023-07-05