Farklı tiplerdeki çark kanatlarının santrifüj kalp destek pompa performansına etkisinin sayısal olarak incelenmesi

Yıl 2021, Cilt: 27 Sayı: 1, 78 - 89, 08.02.2021

Üsame Ali Usca Mahir Uzun Rafet Yapıcı Ömer İncebay

Öz

Bu çalışmada, kalp yetmezliği hastalıklarında tedaviye destek amaçlı olarak kullanılan santrifüj kalp destek pompaları için farklı çark kanat geometrilerinin pompa performansına olan etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Pompa tasarım parametreleri olarak, yetişkin bir insan kalbinin çalışma parametreleri baz alınmıştır. Bu parametreler ışığında pompa tasarımı yapılmış ve CFD (Computational Fluid Dynamics) yazılımı aracılığıyla 3 farklı çark kanat tipi için (radyal, eğik ve eğri) dört farklı debide (3, 4, 5 ve 6 l/dk.) ve üç farklı dönme hızında (3500, 3850 ve 4250 dev/dk.) pompa performansları tespit edilerek pompa performans eğrileri oluşturulmuştur. Elde edilen bulgulara göre tasarım noktası parametrelerine, eğri çark tipinde ve 3850 dev/dk. dönme hızında ulaşılmıştır. Bu noktada pompa hidrolik verimi ise %34 olarak tespit edilmiştir. En yüksek basınç farkı yaklaşık 180 mm-Hg ve 2 l/dk. debide elde edilmiştir. Ayrıca bu çalışmada parametrelerin ve çark kanat tiplerinin kan hasarına (hemoliz) olan etkilerini inceleyebilmek için cidar kayma gerilmeleri de tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

CFD analizi, Pompa hidrodinamik performansı, Santrifüj kalp destek pompası, Çark kanat geometrisi

Kaynakça

• [1] Chair SY, Yu DS, Ng MT, Wang Q, Cheng HY, Wong EM, Sit JW. "Evolvement of left ventricular assist device: the implications on heart failure management". Journal of Geriatric Cardiology, 13(5), 425-430, 2016.
• [2] DeBakey ME. "Left ventricular bypass pump for cardiac assistance. Clinical experience". American Journal of Cardiology, 27(1), 3-11, 1971.
• [3] Anai H, Wakisaka Y, Nakatani T, Taenaka Y, Takano H, Hadama T. "Relationship between pump speed design and hemolysis in an axial flow blood pump". Artificial Organs, 20(6), 564-567, 1996.
• [4] Araki K, Anai H, Oshikawa M, Nakamura K, Onitsuka T. "In vitro performance of a centrifugal, a mixed flow, and an axial flow blood pump". Artificial Organs, 22(5), 366-370, 1998.
• [5] Chua LP, Yu SCM, Leo HL, Chan WK. "Comparison of flow characteristics of enlarged blood pump models with different impeller design". International Communications in Heat and Mass Transfer, 26(3), 369-378, 1999.
• [6] Takano T, Schulte-Eistrup S, Yoshikawa M, Nakata K, Kawahito S, Maeda T, Nonaka K, Linneweber J, Glueck J, Fujisawa A, Makinouchi K, Yokokawa M, Nose Y. "Impeller design for a miniaturized centrifugal blood pump". Artificial Organs, 24(10), 821-825, 2000.
• [7] Arvand A, Hahn N, Hormes M, Akdis M, Martin M, Reul H. "Comparison of hydraulic and hemolytic properties of different impeller designs of an implantable rotary blood pump by computational fluid dynamics". Artificial Organs, 28(10), 892-898, 2004.
• [8] Song G, Chua LP, Lim TM. "Numerical study of a centrifugal blood pump with different impeller profiles". Asaio Journal, 56(1), 24-29, 2010.
• [9] Leme J, da Silva C, Fonseca J, da Silva BU, Uebelhart B, Biscegli JF, Andrade A. "Centrifugal blood pump for temporary ventricular assist devices with low priming and ceramic bearings". Artificial Organs, 37(11), 942-945, 2013.
• [10] Nishida M, Negishi T, Sakota D, Kosaka R, Maruyama O, Hyakutake T, Kuwana K, Yamane T. "Properties of a monopivot centrifugal blood pump manufactured by 3D printing". Journal of Artificial Organs, 19(4), 322-329, 2016.
• [11] İncebay Ö, Yapıcı R. "Santrifüj bir kalp destek pompası prototipinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi". Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim ve Teknoloji Dergisi, 5(4), 472-484, 2017.
• [12] Paul G, Rezaienia A, Avital E, Korakianitis T. "Machinability and optimization of shrouded centrifugal impellers for implantable blood pumps". Journal of Medical Devices-Transactions of the Asme, 11(2), 1-13, 2017.
• [13] Mozafari S, Rezaienia MA, Paul GM, Rothman MT, Wen P, Korakianitis T. "The effect of geometry on the efficiency and hemolysis of centrifugal implantable blood pumps". Asaio Journal, 63(1), 53-59, 2017.
• [14] Stepanoff AJ. Centrifugal and Axial Flow Pumps: Theory, Design, and Application. 2nd ed. New Jersey, USD, Wiley, 1957.
• [15] Çengel Y. Cimbala JM. Akışkanlar Mekaniği Temelleri ve Uygulamaları. 1. Baskı. İzmir, Türkiye, Güven Bilimsel, 2008.
• [16] Chan WK, Wong YW, Hu W. "Design considerations of volute geometry of a centrifugal blood pump". Artificial Organs, 29(12), 937-948, 2005.
• [17] Chopski SG, Fox CS, McKenna KL, Riddle ML, Kafagy DH, Stevens RM, Throckmorton AL. "Physics-driven impeller designs for a novel intravascular blood pump for patients with congenital heart disease". Medical Engineering & Physics, 38(7), 622-632, 2016.
• [18] Chua LP, Su BY, Lim TM, Zhou TM. "Numerical simulation of an axial blood pump". Artificial Organs, 31(7), 560-570, 2007.
• [19] Demir O, Biyikli E, Lazoglu I, Kucukaksu S. "Design of a centrifugal blood pump: Heart Turcica Centrifugal". Artificial Organs, 35(7), 720-725, 2011.
• [20] Koochaki M, Niroomand-Oscuii H. "A new design and computational fluid dynamics study of an implantable axial blood pump". Australasian Physical & Engineering Sciences in Medicine, 36(4), 417-422, 2013.
• [21] Mohammadi N, Fakharzadeh M. "Analysis of effect of impeller geometry including blade outlet angle on the performance of multi-pressure pumps: Simulation and experiment". Mechanika, 23(1), 107-119, 2017.
• [22] Nishida M, Nakayama K, Sakota D, Kosaka R, Maruyama O, Kawaguchi Y, Kuwana K, Yamane T. "Effect of impeller geometry on lift-off characteristics and rotational attitude in a monopivot centrifugal blood pump". Artificial Organs, 40(6), 89-101, 2016.
• [23] Sorguven E, Ciblak N, Okyar AF, Akgun MA, Egrican AN, Safak KK, Ahn H, Lazoglu I, Kucukaksu S. "Flow simulation and optimization of a left ventricular assist device". Proceedings of the Asme International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2007, Seattle, Washington, USA, 11-15 November 2007.
• [24] Patel SM, Throckmorton AL, Untaroiu A, Allaire PE, Wood HG, Olsen DB. "The status of failure and reliability testing of artificial blood pumps". Asaio Journal, 51(4), 440-451, 2005.
• [25] Demir O. Development of an İmplantable Left Ventricular Assist Device: Heart Turcica Centrifugal. Master of Science, Koc University, İstanbul, Turkey, 2009.
• [26] İncebay Ö. Santrifüj Kalp Destek Pompası Tasarımı ve Nümerik Analizinin Yapılması. Yüksek Lisans, Selçuk Üniversitesi, Konya, Türkiye, 2017.
• [27] Çınar H, Yapıcı R. "Yeni bir yüksek hızlı kalp destek pompasının sayısal e deneysel analizi". Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim ve Teknoloji Dergisi, 6(1), 38-54, 2018.
• [28] Gaddum NR, Fraser JF, Timms DL. "Increasing the Transmitted Flow Pulse in a Rotary Left Ventricular Assist Device". Artificial Organs, 36(10), 859-867, 2012.
• [29] Gardiner JM, Wu JC, Noh MD, Antaki JF, Snyder TA, Paden DB, Paden BE. "Thermal analysis of the pediaflow pediatric ventricular assist device". Asaio Journal, 53(1), 65-73, 2007.
• [30] Hsu PL, Graefe R, Boehning F, Wu C, Parker J, Autschbach R, Schmitz-Rode T, Steinseifer U. "Hydraulic and hemodynamic performance of a minimally invasive intra-arterial right ventricular assist device". The International Journal of Artificial Organs, 37(9), 697-705, 2014.
• [31] Yayla S, Azhin A, Oruç M. “Hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak çeşitli jet hızları ve ayırıcı açıları için bir pelton türbin kepçesine etki eden kuvvetlerin belirlenmesi”. DSİ Teknik Bülteni, 128, 11-21, 2018.