(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111525894.2 (22)申请日 2021.12.14 (71)申请人 中国科学院深圳先进技 术研究院 地址 518055 广东省深圳市南 山区深圳大 学城学苑大道1068号 (72)发明人 陈平良　陈荣亮　赵运业　 (74)专利代理 机构 北京市诚辉律师事务所 11430 专利代理师 朱伟军　刘婷 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于并行CFD的离心式血泵数值模拟方 法 (57)摘要 本发明公开了一种基于并行CFD的离心式血 泵数值模拟方法， 包括以下步骤： 步骤一： 创建三 维模型： 由三维建模软件建立离心式血泵模型， 包括整个血泵外壳和内部叶轮部分； 步骤二： 网 格划分： 使用网格划分软件； 步骤三： 计算软件前 处理： 使用开源流体动力学计算软件读取计算网 格文件； 步骤四： 分析后并行计算； 步骤五： 结果 分析： 由以上计算得到的血泵内流场数据， 分析 该离心式血泵的综合性能。 本发 明与现有技术相 比的优点在于： 实现的软件开源完整， 可根据计 算流程需求更改算法、 进行各种自定义等， 同时 使用并行计算的方法对大型网格进行快速计算， 提高了计算准确度的同时也 提高了计算速度。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 114462324 A 2022.05.10 CN 114462324 A 1.一种基于并行CFD的离心式血泵数值模拟方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： 步骤一： 创建三维模型： 由三维建模软件建立离心式血泵模型， 包括整个血泵外 壳和内 部叶轮部分； 步骤二： 网格划分： 使用网格划分软件， 由所需求的网格量大小划分网格， 并在关键部 位如叶轮叶片边 缘、 出入口流道接缝处加密网格， 最后得到整个 计算网格文件； 步骤三： 计算软件前处理： 使用开源流体动力学计算软件读取计算网格文件， 其中计算 软件中包括控制方程的建立、 初始条件及边界条件的确立、 离散控制方程、 给定求解计算参 数， 其中离 散控制方程包括离 散后的初始条件和边界条件； 步骤四： 分析后并行计算： 由上述步骤中得到的计算区域进行分解后并行计算， 以提高 计算效率， 使用开源流体动力学计算软件在较多核数 的超级计算平台上进行上机计算， 得 到计算周期内各时间步血泵流场中各处的速度、 压力、 壁 面剪切力分布； 步骤五： 结果分析： 由以上计算得到的血泵内流场数据， 分析该离心式血泵的综合性 能。 2.根据权利要求1所述的一种基于并行CFD的离心式血泵数值模拟方法， 其特征在于： 步骤一中采用一种基准模型 血泵。 3.根据权利要求1所述的一种基于并行CFD的离心式血泵数值模拟方法， 其特征在于： 步骤二中的网格划分软件采用SnappyHexMesh软件， 并采用非结构四面体网格单元对血泵 模型进行网格划分， 网格计算区域分为旋转区域和固定区域， 两者网格要 各自独立， 两者网 格计算信息的交换方法采用任意网格界面法， 旋转区域网格完整的包裹在叶轮的外部， 其 余则为固定区域。 4.根据权利要求1所述的一种基于并行CFD的离心式血泵数值模拟方法， 其特征在于： 步骤三中的开源流体动力学计算软件选用OpenFOAM， 控制方程为纳维 ‑斯托克斯方程， 并引 入k‑omega SST湍流模型结合了自由流中的k ‑epsilon和靠近壁面处的k ‑omega模型， 采用 有限体积法离 散控制方程。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114462324 A 2一种基于并行CFD的离心 式血泵数值模拟方 法 技术领域 [0001]本发明涉及血泵数值模拟方法技术领域， 具体是指一种基于并行CFD的离心式血 泵数值模拟方法。 背景技术 [0002]体外膜肺氧合(Extracorporeal  Membrane  Oxygenation， ECMO)主要用于对重症 心肺功能衰竭患者提供持续的体外呼吸与循环， 以维持患者生命。 ECMO的本质是一种改良 的人工心肺机， 最核心的部 分是膜肺和血泵， 分别起人工肺和人工心的作用， 可以对重症心 肺功能衰竭患者进行长时间心肺支持， 为危重症的抢救赢得宝贵的时间。 其中起到人工心 作用的血泵受到了广泛关注和应用。 离心式血泵主要为体外血液 的循环提供动力。 现有血 泵存在各种不同的问题， 对于新设计的血泵的综合性能要满足包括体外泵血能力、 血液相 容性、 对血红细胞破坏程度等。 对于血泵的设计验证除了由实验室测试外， 还有较 常用的计 算流体动力学(CFD)分析方法， 而且CFD分析方法也比实验室体外测试要更加快捷、 省时和 节省成本 。 [0003]离心式血泵是ECMO系统必不可少的组件， 它主要为体外血液循环提供动力。 而在 实际应用中离心式血泵需要一定的综合性能。 比如， 它需要有足够的水力性能， 以满足体外 血液循环所需的动力要求即有良好的血液动力性能。 再如， 它要求对 血液的影响最小， 有良 好的血液相容性， 尽可能少的破坏血红细胞， 并减少溶 血发生。 [0004]ECMO系统中血液的损害主要发生在离心式血泵中， 所以血泵在进入临床使用前必 须进行想相关性能的评估， 以满足使用要求。 目前， CFD在血泵血流动力学分析中的应用被 认为是评估临床使用前血泵 血液相容性的重要方法。 CFD可以准确地模拟血泵内部的流动， 并降低了血泵开发和实验室实验 验证的成本 。 [0005]随着计算流体力学(computional  fluid dynamics， CFD)的发展， 利用CFD技术解 决血泵设计和优化过程中的一些有关结构及流场的问题， 从而大大降低人工心脏即血泵的 研制成本和周期， 对推动人工心脏的研究和发展 有着极为重要的意。 [0006]Bozzi等使用CFD方法研究具有两个叶轮设计的离心泵的血液相容性。 他们 在计算 中采用了流体计算商业软件ANSYS， 计算中流场使用了三维、 非定常、 不可压的连续性方程 和动量方程。 边界条件包括与入口截面垂直的恒定速度作为流入边界条件， 并在出 口处施 加零压力 梯度。 使用滑动网格方法模拟叶轮的旋转， 旋转视为刚体运动。 由上确定好计算条 件后计算并得到离心泵中的压力分布和速度矢量分布， 并预测了剪切应力导致的血红细胞 损害。 [0007]上述CFD方法有如下缺点： 1、 依赖商业软件实现， 由于商业软件并不开源， 所以对 于计算过程中 问题不得而知， 也不能对算法进 行及时优化或更改。 2、 计算准确度不高， 由于 血液流场较为复杂， 对于计算仿 真条件等要求 苛刻， 现有实现中或多或少存在计算瑕疵。 3、 计算速度慢， 对于复杂的血液流场计算区域， 要离散为数以亿计的计算网格才能精确的进 行计算， 而如此多的计算 量非常耗时。说　明　书 1/5 页 3 CN 114462324 A 3