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FLUENT医疗器械案例之一
余花生
1年前
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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/m
3
,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
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首次发布时间:2023-07-05
最近编辑:1年前
余花生
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仿真秀18520954880
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13天前
这篇文章您提到的官网我没有看到,请问可以发我一下吗?
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