EXPERIMENTAL AND NUMERICAL DETERMINATION OF THE PERFORMANCE OF HEART ASSIST PUMP USING A NON-NEWTONIAN FLUID

Abstract

   Heart failure, which has an important place in heart diseases, is a health condition that human heart cannot pump enough blood for various reasons. Mechanical systems called ventricular assist devices (VADs) have been developed to assist individiuals with this disease. Left ventricular assist devices help blood to be pumped from the left ventricle to the aorta. In this study, the hydrodynamic performance of a mixed flow left ventricular heart assist pump was determined by the computational fluid dynamics (CFD) method. In the analysis, the working fluid was used a non-newtonian mixture of water and xanthan solution (by mass 0,06% xanthan gum) which has similar rheological properties to blood, was used as the working fluid. Performance curves of pressure, flow and efficiency of the pump were obtained at rotational speeds of 5000, 6000 and 7000 rpm. In order to compare the results, CFD analysis are repeated with a Newtonian fluid, water glycerin solution (by volume 40% glycerin and 60% water). According to the numerical performance results of the pump, it was seen that the pressure difference between two fluids at high rotational speed and low flow rates is 9,2% and high flow rate it is decreased to about 7%. The pump reached a pressure value of 88,33mmHg at a rotation spxeed of 5000 rpm at 5L/ min. At this working point, the pump hydraulic efficiency was determined as 52,74%.

Keywords

• Left ventricular heart assist pump,Computational fluid dynamics (CFD),Non-newtonian fluids,Xanthan gum-water solution,Mixed flow pumps

NEWTON TİPİ OLMAYAN AKIŞKAN KULLANARAK KALP DESTEK POMPASININ PERFORMANSININ HESAPLAMALI AKIŞKANLAR MEKANİĞİ YÖNTEMİ İLE İNCELENMESİ

Öz

   Kalp rahatsızlıkları içerisinde önemli bir yere sahip olan kalp yetmezliği, insan kalbinin çeşitli nedenlerden dolayı vücuda ihtiyaç duyduğu yeterli kanı pompalayamaması durumudur. Bu hastalığa sahip bireylere yardımcı olmak amacıyla ventriküler (karıncık) destek cihazları (VAD) adı verilen mekanik sistemler geliştirilmiştir. Sol ventriküler destek cihazları, kalbin sol karıncığından kanın aort atar damarına pompalamasına yardımcı olmaktadır. Bu çalışmada, tasarlanmış olan karışık akışlı bir sol ventriküler kalp destek pompasının hidrodinamik performansı hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) metodu ile belirlenmiştir. Analizlerde çalışma akışkanı olarak kana benzer reolojik özellikler gösteren newtoniyen olmayan su-ksantan karışımı (kütlece %0.06 ksantan sakızı) kullanılmıştır. 5000, 6000 ve 7000 dev/dak dönme hızlarında pompanın debisine bağlı olarak basıncını ve verimini gösteren performans eğrileri elde edilmiştir. Sonuçların karşılaştırılması amacıyla newtoniyen bir akışkan olan su-gliserin çözeltisi (hacimce %40 gliserin ve %60 su) ile de HAD analizleri yapılmıştır. Pompanın sayısal performans sonuçlarına göre; yüksek dönme hızında ve düşük debilerde iki akışkan arasındaki basınç farkının yaklaşık %9,2 değerine, yüksek debilerde ise yaklaşık %7’lere düştüğü görülmüştür. Pompa, 5 L/dak debide 5000 dev/dak dönme hızında 88,33 mmHg basınç değerine ulaşmıştır. Bu noktadaki pompa hidrolik verimi ise %52,74 olarak belirlenmiştir. 

Anahtar Kelimeler

• Sol ventriküler kalp destek pompası,Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD),Newtoniyen olmayan akışkan,Ksantan sakızı-su çözeltisi,Karışık akışlı pompalar

Kaynakça

1. [1] https://www.tkd.org.tr/kalp-yetersizligi-calisma-grubu/sayfa/toplum_icin_bilgiler (erişim tarihi 16.10.2018)
2. [2] HUANG, C.R., FABİSİAK, W.A., “A Rheological Equation Characterizing Both The Time Dependent and Steady State Viscosity of Human Blood”, AIchE Symp Ser, 74:19-21, 1978.
3. [3] AKAMATSU, T., TSUKİYA, T., “Development of a Centrifugal Blood Pump with Magnetically Suspended Impeller and The Related Fluid Mechanical Problems”, Indian Academy of Sciences, 23, 597-603, 1998.
4. [4] OGAMI, Y., MATSUOKA, D., HORIE, M., “Computational Study of Magnetically Suspended Centrifugal Blood Pump”, International Journal of Fluid Machinery and Systems, 3, 102-112, 2010.
5. [5] MIKLOSOVIC, D.S., GREGOREK, G.M., “An Experimental Evaluation of Non-newtonian Scaling Effects in a Centrifugal LVAD”, American Institute of Aeronautics or Published with Permission of Author(s) Sponsoring Organization, 1-9,2000.
6. [6] MUTLU, F., YAPICI, R., “Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Kullanılarak Karışık Akışlı Bir Kalp Destek Pompasının Tasarımı ve Performansının İncelenmesi”, Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim ve Teknoloji Dergisi, 6, 504-518,2018.
7. [7] MOZAFARI, S., REZAIENIA, M.A., PAUL, G.M., ROTHMAN, M.T., WEB, P., KORAKIANITIS, T., “The Effect of Geometry on the Efficiency and Hemolysis of Centrifugal Implantable Blood Pumps”, ASAIO Journal, 63, 53-59, 2017.
8. [8] ANSYS, “Ansys Fluent User’s Guide 18.0 edition”, ANSYS Inc, Cannonsburg, 2017.

9. [9] CAO, X., ZHAO, Z., CHENG, L., YİN, W., “Evaluation of a transparent analog fluid of digested sludge: Xanthan gum aqueous Solution”, Procedia Environmental Sciences 31, 735-742, 2016.
10. [10] COMPLETO, C., GERALDES, V., SEMIAO, V., “Micro-PIV Characterization of Laminar Developed Flows OF Newtonian and Non-Newtonian Fluids in a slit channel”, Engineering Mechanics, 19, 3-13, 2012.
11. [11] HU, O., LI, J.Y., ZHANG, M.Y., ZHU, X.R., “An experimental study of Newtonian and non-Newtonian flow Dynamics in an axial blood pump model.”, Artifical Organs, 36(4), 429-433, 2012.
12. [12] FRASER, K. H., TASKİN, M. E., GRİFFİTH, B. P., WU, Z. J., “The use of computational fluid dynamics in the development of ventricular assist devices”, Medical Engineering & Physics, 33(3): 263-280, 2011.
13. [13] KAFAGY, D.H., DWYER, T.W., MCKENNA, K.L., MULLES, J.P., CHOPSKI, S.G., MOSKOWITZ, W.B., THROCKMORTON, A.L., “Design of axial blood pumps for patients with dysfunctional fontanphysiology: computational studies and performance testing”, Artificial Organs, 39(1), 34-42, 2015.
14. [14] WU, Z.J., GOTTLIEB, R.K., BURGREEN, G.W., HOLMES, J.A., BORZELLECA, D.C., KAMENEVA, M.V., GRIFFITH, B.P., ANTAKI, J.F., “Investigation of fluid Dynamics within a miniature mixed flow blood pump”, Experiments in Fluids, 31(6), 615-629, 2001.
15. [15] CHOPSKİ, S.G., FOX, C.S., RIDDLE, M.D., MCKENNA, K.L., PATEL, J.P., ROZOLIS, J.T., THROCKMORTON, A.L., “Pressure-Flow Experimental Performance of New Intravascular Blood Pump Designs for Fontan Patients”, Artificial Organs, 40(3), 233-242, 2016.
16. [16] ARVAND, A., HANH, 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”, Artifical Organs, 28(10): 892-898, 2004.
17. [17] CARRIERİ M.İ FARINASİ M. I., GARON, A., “Hemodynamics characteristics of a mixed flow pump prototype progress report of in vitro and acute animal experiments”, ASAIO Journal, 52 (4), 373-377, 2006.