Numerical and Experimental Investigation of A Centrifugal Heart Assist Pump Prototype

Öz

In this study, pump characteristics of a prototype centrifugal ventricular assist pump, which is designed with conventional design method of large scale pumps, have been determined by CFD software and these characteristics are confirmed experimentally. Also shear stresses on the walls of the pump were inspected with CFD simulations. As design parameters; 5 L/min flow rate, 3000 rpm motor speed and 100 mm-Hg pressure rise have been selected. Solid model of the designed pump was prepared and manufactured by rapid prototyping machine. Volute of the pump was manufactured from aluminum block at CNC milling machine. At performance tests of the pump, water and 40% glycerin-60%water solution, which have similar rheological properties with blood, were used as working fluid. At design speed and flow rate, 72 mm-Hg of pressure rise has been obtained. For tests which water used as fluid, a fine agreement between CFD determined and experimental pump performance results has been seen. For tests which water-glycerin solution used as fluid, there is nearly 15% of deviation between CFD determined and experimental pump performance results. At CFD simulations shear stress value for water was 664.7 Pa and 1271 Pa for glycerin solution. Upcoming researches will be focused on decreasing this shear stress level.

Anahtar Kelimeler

• CFD
• Centifugal Pump
• LVAD
• Ventricular Assist Pump

SANTRİFÜJ BİR KALP DESTEK POMPASI PROTOTİPİNİN SAYISAL VE DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ

Öz

Bu çalışmada büyük ölçekli pompaların tasarımında kullanılan konvansiyonel yöntemle tasarlanan prototip bir santrifüj kalp destek pompasının HAD yazılımları aracılığıyla santrifüj pompa karakteristiklerinin belirlenmesi ve bu karakteristiklerin deneysel olarak doğrulanması yapıldı. Ayrıca HAD simülasyonuyla pompanın cidarlarındaki kayma gerilmeleri incelendi. Pompanın tasarım parametreleri olarak 5 lt/dak debi, 3000 dev/dak dönme sayısı ve 100 mm-Hg basınç farkı seçildi. Tasarlanan pompa çarkının katı modellemesi oluşturularak hızlı prototipleme cihazlarıyla imalatı yapıldı. Katı modeli oluşturulan pompa salyangozu alüminyum bloktan CNC dik işlem merkezinde imal edildi. Pompanın performans deneylerinde akışkan olarak; su ve akışkan özellikleri kana benzer olan hacimce %40 gliserin-%60 su çözeltisi kullanıldı. Tasarım dönme sayısı ve debisinde yaklaşık 72 mm-Hg’lik bir toplam basınç farkı elde edildi. Akışkan olarak su kullanılan testlerde HAD simülasyonuyla belirlenen pompa performansı sonuçları ile deneysel sonuçlar arasında iyi bir uyum olduğu görüldü. Akışkan olarak su-gliserin çözeltisi kullanılan deneysel sonuçlarla HAD simülasyon sonuçları arasında yaklaşık %15 sapma olduğu görüldü. HAD simülasyonlarıyla yapılan analizlerde; su için 664.7Pa, su-gliserin çözeltisi için 1271 Pa kayma gerilmesi değerleri bulundu. Gelecek çalışmalarda bu kayma gerilmesi değerlerinin azaltılması üzerine yoğunlaşılacaktır.

Anahtar Kelimeler

• HAD
• Kalp Destek Pompası
• LVAD
• Santrifüj Pompa

Kaynakça

1. Arvand, A., Hahn, N., Hormes, M., Akdis, M., Martin, M., Reul, H., 2004 “Comparison of Hydraulic and Hemolytic Properties of Different Impeller Designs of an Implantable Rotary Blood Pump by Computational Fluid Dynamics”, Artificial Organs, Sayı:28(10), s. 892–898, Blackwell Publishing, Inc.
2. Behbahani, M.,Behr, M., Hormes, M., Steınseıfer, U., Arora, D., Coronado, O., Pasqualı, M., 2009, “A Review of Computational Fluid Dynamics Analysis of Blood Pumps”, European Journal of Applied Mathematics, Sayı:20,s.363–397
3. Demir, O.,Biyikli E., Lazoglu, I., Kucukaksu, S., 2011, “Design of a Centrifugal Blood Pump: Heart Turcica Centrifugal”, Artificial Organs, Sayı:35, No. 7, s.720-725
4. Fan, H. M., Hong, F. W., Zhou, L. D., Chen, Y. S., Ye, L., Lıu, Z. M., 2009 “Design of Implantable Axial-Flow Blood Pump and Numerical Studies on Its Performance”, Journal of Hydrodynamics, Sayı:21(4), s.445-452
5. Fraser, K. H.,Zhang, T., Taskin, M. E., Griffith, B. P., Wu, Z. J., 2012, “A Quantitative Comparison of Mechanical Blood Damage Parameters in Rotary Ventricular Assist Devices: Shear Stress, Exposure Time and Hemolysis Index”, Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 134 / 081002-1
6. Reul H. M., Akdis M., 2000, “Blood Pumps for Circulatory Support”, Perfusion, Sayı: 15, s. 295–311
7. Lua P.C.,Laia H.C., Liub J.S., 2001, “A Reevaluation and Discussion on The Threshold Limit for Hemolysis in A Turbulent Shear Flow”, Journal of Biomechanics, Sayı:34, s. 1361–1364.
8. Masuzawa, T.,Tsukiya, T., Endo, S., Tatsumi, E., Taenaka, Y., Takano, H., Yamane, T., Nishida, M., Asztalos, B., Miyazoe, Y., Ito, K., Sawairi, T., Konishi Y., 1999, “Development of Design Methods For a Centrifugal Blood Pump with a Dynamic Approach: Results in Hemolysis Tests”, Artifical Organs, Sayı:23(8), s.757-761 Blackwell Science, Inc.

9. Masuzawa, T.,Ohta, A., Tanaka, N., Qian, Y., Tsukiya, T., 2009, “Estimation of Changes in Dynamic Hydraulic Force in a Magnetically Suspended Centrifugal Blood Pump with Transient Computational Fluid Dynamics Analysis” The Japanese Society for Artificial Organs, Sayı: 12, s. 150–159
10. Mizunuma, H., Nakajima, R., 2007, “Experimental Study on Shear Stress Distributions in a Centrifugal Blood Pump”, Artificial Organs, Sayı: 31(7), s. 550–559, Blackwell Publishing, Inc.
11. Mozafari S., Rezaienia M. A., Paul G. M., Rothman M. T., Wen P., Korakianitis T. ,2017, “The Effect of Geometry on the Efficiency and Hemolysis of Centrifugal Implantable Blood Pumps”, ASAIO Journal, 63, 53–59
12. Nishida, M., Maruyama, O., Kosaka, R., Yamane, T., Kogure, H., Kawamura, H., Yamamoto, Y., Kuwana, K., Sankai, Y., Tsutsui, T., 2009,”Hemocompatibility Evaluation With Experimental and Computational Fluid Dynamic Analyses for a Monopivot Circulatory Assist Pump”, Artificial Organs, Sayı: 33(4), s. 378–386, Wiley Periodicals, Inc.
13. Ogami, Y., Matsuoka, D., Horie, M., 2010, “Computational Study of Magnetically Suspended Centrifugal Blood Pump (The First Report: Main Flow and Gap Flow)”, International Journal of Fluid Machinery and Systems, Sayı:3, No. 2. s.102-112.
14. Stepanoff, A.J., 1957, Centrifugal and Axial Flow Pumps: Theory, Design and Application, 2nd Ed. John Wiley&Sons Inc., New York, USA
15. Song, G., Chua, L. P., Lım, T. M., 2010,“Numerical Study of a Centrifugal Blood Pump With Different Impeller Profiles”, ASAIO Journal, Sayı: 56, s.24–29.
16. T.C. Sağlık Bakanlığı, Halk Sağlığı Kurumu, Türkiye Kalp ve Damar Hastalıkları Önleme ve Kontrol Programı, 988, Ankara, 2015
17. Untaroıu, A., Wood, H. G., Allaıre, P. E., Throckmorton, A. L., Day, S., Patel, S. M., Ellman, P., Trıbble, C., Olsen, D. B., 2005, “Computational Design and Experimental Testing of a Novel Axial Flow LVAD”, ASAIO Journal, Sayı: 51, s.702–710.
18. Yen, J. H.,Chen, S. F. , Chern M. K. , Lu P. C., 2014, “The Effect of Turbulent Viscous Shear Stress on Red Blood Cell Hemolysis“, The Japanese Society for Artificial Organs, Sayı: 17, s.178–185.
19. Yu, S.C.M. , Ng, B.T.H., Chan, W.K., Chua, L.P., 2000, “The Flow Patterns within The Impeller Passages of a Centrifugal Blood Pump Model”, Medical Engineering & Physics, Sayı: 22, s.381–393