Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ

Yıl 2018, Cilt: 6 Sayı: 3, 504 - 518, 01.09.2018
https://doi.org/10.15317/Scitech.2018.148

Öz

Kalp yetersizliği, kalbin vücudun ihtiyacı olan yeterli kanı pompalayamadığı bir kalp rahatsızlığıdır. Sol ventrikül kalp destek pompaları, kalbin sol ventrikülünden kanın aort atar damarına pompalanmasına yardımcı olurlar. Bu çalışmada, heliko-santrifüj karışık akışlı bir sol ventrikül kalp destek pompasının tasarımı, pompa tasarım programları kullanılarak yapıldı. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) metodu ile pompanın hidrodinamik performansı belirlendi. Pompanın sayısal performans sonuçları kullanılarak hidrolik verime göre optimum pompa tasarımı gerçekleştirildi. Kurulan deney düzeneğinde farklı dönme hızlarında bu pompanın basıncı, debisi ve tükettiği güç ölçüldü ve ölçülen bu değerler ile deneysel hidrodinamik performans eğrileri belirlendi. Deneyde ve HAD analizinde, çalışma akışkanı kan ile aynı viskozitede olan su-gliserin çözeltisi (hacimce %40 gliserin ve %60 su) kullanıldı. Karşılaştırma yapılması için su ile de deney ve HAD analizleri yapıldı. Pompanın deneysel ve sayısal performans sonuçlarına göre, basınç farkındaki sapma oranın yüksek debilerde %1’den daha düşük ve düşük debilerde ise yaklaşık %5,7 olarak görüldü. Bu yetişkin kalp destek pompalarının sağlaması gereken 5 L/dak debideki 100 mmHg basınç değeri, 5100 dev/dak dönme hızında elde edildi. Bu noktada pompanın hidrolik verimi %52,1, genel verimi %30,9 ve maksimum cidar kayma gerilmesi 166 Pa olarak belirlendi.

Kaynakça

  • Anderson, J., Wood, H. G., Allaire, P. E., Olsen, D. B., 2000, ‚Numerical Analysis of Blood Flow in the Clearance Regions of a Continuous Flow Artificial Heart Pump‛, Artificial Organs, Vol. 24(6), pp. 492-500.
  • ANSYS, 2017, ‚Ansys Fluent Theory Guide, Release 18.0 edition‛, ANSYS, Inc., Canonsburg, PA.
  • Arvand, A., Hahn, N., Hormes, M., Akdis M., Martin, M., Reul H., 2004, ‚Comparison of Hydraulic and Hemolytic Properties of Different İmpeller Designs of an İmplantable Rotary Blood Pump by Computational Fluid Dynamics‛, Artificial Organs, Vol. 28(10), pp. 892-898.
  • Behbahani, M., Behr, M., Hormes, M., Steinseifer, U., Arora, D., Coronado, O., Pasquali, M., 2009, ‚A Review of Computational Fluid Dynamics Analysis of Blood Pumps‛, European Journal of Applied Mathematics, Vol. 20(4), pp. 363-397.
  • Bunzel, B., Laederach-Hofmann, K., Wieselthaler, G., Roethy, W., Wolner, E., 2007, ‚Mechanical Circulatory Support as a Bridge to Heart Transplantation: What Remains? Long-term Emotional Sequelae in Patients and Spouses‛, The Journal of heart and lung transplantation, Vol. 26(4), pp. 384-389.
  • Carrier, M., Farinas, M. I., Garon, A., 2006, ‚Hemodynamic Characteristics of a Mixed Flow Pump Prototype: Progress Report of in Vitro and Acute Animal Experiments‛, ASAIO Journal, Vol. 52(4), pp. 373-377.
  • Chopski, S. G., Fox, C. S., Riddle, M. L., McKenna, K. L., Patel, J. P., Rozolis, J. T., Throckmorton, A. L., 2016, ‚Pressure-Flow Experimental Performance of New Intravascular Blood Pump Designs for Fontan Patients‛, Artificial Organs, Vol. 40(3), pp. 233-242.
  • Chua, L. P., Akamatsu, T., 2000, ‚Measurements of Gap Pressure and Wall Shear Stress of a Blood Pump Model‛, Medical Engineering & Physics, Vol. 22(3), pp. 175-188.
  • Degertekin, M., Erol, Ç., Ergene, O., Tokgözoğlu, L., Aksoy, M., Erol, M. K., Eren, M., Şahin, M., Eroğlu, E., Mutlu, B., Kozan, Ö., 2012, ‚Heart Failure Prevalence and Predictors in Turkey: HAPPY Study‛, Turk Kardiyoloji Dernegi Arsivi, Vol. 40(4), pp. 298-308.
  • Fraser, K. H., Taskin, M. E., Griffith, B. P., Wu, Z. J., 2011, ‚The use of Computational Fluid Dynamics in the Development of Ventricular Assist Devices‛, Medical Engineering & Physics, Vol. 33(3), pp. 263-280.
  • Genovese, E. A., Dew, M. A., Teuteberg, J. J., Simon, M.A., Kay, J., Siegenthaler, M. P., Bhama, J. K., Bermudez, C. A., Lockard, K. L., Winowich, S., Kormos, R. L., 2009, ‚Incidence and Patterns of Adverse Event Onset During the first 60 Days After Ventricular Assist Device Implantation‛, The Annals of Thoracic Surgery, Vol. 88(4), pp. 1162-1170.
  • Hu, Q. H., Li, J. Y., Zhang, M. Y., Zhu, X. R., 2012, ‚An Experimental Study of Newtonian and Non-Newtonian Flow Dynamics in an Axial Blood Pump Model‛, Artificial Organs, Vol. 36(4), pp. 429-433.
  • Kafagy, D. H., Dwyer, T. W., McKenna, K. L., Mulles, J. P., Chopski, S. G., Moskowitz, W. B., Throckmorton, A. L., 2015, ‚Design of Axial Blood Pumps for Patients with Dysfunctional Fontan Physiology: Computational Studies and Performance Testing‛, Artificial Organs, Vol. 39(1), pp. 34-42.
  • Leverett, L. B., Hellums, J. D., Alfrey, C. P., Lynch, E. C., 1972, ‚Red Blood Cell Damage by Shear Stress‛, Biophysical Journal, Vol. 12(3), pp. 257-273.
  • 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, Vol. 63(1), pp. 53-59.
  • Olsen, D. B., 2000, ‚The History Of Continuous-Flow Blood Pumps‛, Artificial Organs,Vol. 24(6), 401-404.
  • Thompson, L. O., Loebe, M., Noon, G. P., 2003, ‚What price support? Ventricular Assist Device Induced Systemic Response‛, ASAIO Journal, Vol. 49(5), pp. 518-526.
  • Untaroiu, A., Wood, H. G., Allaire, P. E., Throckmorton, A. L., Day, S., Patel, S. M., Ellman, P., Tribble, C., Olsen, D. B., 2005, ‚Computational Design and Experimental Testing of a Novel Axial Flow LVAD‛, ASAIO Journal, Vol. 51(6), pp. 702-710.
  • Wu, Z. J., Gottlieb, R. K., Burgreen, G. W., Holmes, J. A., Borzelleca, D. C., Kameneva, M. V., Griffith, B. P., Antaki, J. F., 2001, ‚Investigation of Fluid Dynamics within a Miniature Mixed Flow Blood Pump‛, Experiments in Fluids, Vol. 31(6), pp. 615-629.
  • 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, Vol. 22(6), pp. 381-393.
  • Zhang, Y., Zhan, Z., Gui, X. M., Sun, H. S., Zhang, H., Zheng, Z., Zhou, J. Y., Zhu, X. D., Li, G. R., Hu, S. S., Jin, D. H., 2008, ‚Design Optimization of an Axial Blood Pump with Computational Fluid Dynamics”, ASAIO Journal, Vol. 54(2), pp. 150-155.

A Mixed Flow Heart Assist Pump Design and Investigation of Its Performance Using Computational Fluid Dynamics

Yıl 2018, Cilt: 6 Sayı: 3, 504 - 518, 01.09.2018
https://doi.org/10.15317/Scitech.2018.148

Öz

Heart failure is a heart disease in which the heart cannot pump enough blood to meet the body’s needs. Left ventricular heart assist pumps help to pump the blood from the left ventricle of the heart to the aorta artery. In this study, the design of a helico-centrifugal mixed-flow heart assist pump was made using the pump design programs. The hydrodynamic performance of the pump was determined by the computational fluid dynamics (CFD) method. Using the pump's numerical performance results, the optimum pump design was performed according to the hydraulic efficiency. Pressure, flow rate and power consumption of pump at different rotational speeds were measured in the experimental setup and experimental hydrodynamic performance curves were determined with these measured values. In the experiment and CFD analysis, the working fluid was a water-glycerin solution (by volume 40% glycerin and 60% water) which has the same viscosity as blood. Also, for comparison; experiments and CFD analysis were performed with water. According to the experimental and numerical performance results of the pump, the deviation ratio of the pressure difference was calculated to be less than 1% at high flow rates and approximately 5.7% at low flow rates. The pressure of 100 mmHg at 5 L / min flow rate, which must be provide by the adults heart assist pumps was achieved at rotation speed of 5100 rpm. At this point, the hydraulic and overall efficiency of the pump and the maximum wall shear stress in the pump was determined to be the 52.1%, 30.9% and 166 Pa, respectively.

Kaynakça

  • Anderson, J., Wood, H. G., Allaire, P. E., Olsen, D. B., 2000, ‚Numerical Analysis of Blood Flow in the Clearance Regions of a Continuous Flow Artificial Heart Pump‛, Artificial Organs, Vol. 24(6), pp. 492-500.
  • ANSYS, 2017, ‚Ansys Fluent Theory Guide, Release 18.0 edition‛, ANSYS, Inc., Canonsburg, PA.
  • Arvand, A., Hahn, N., Hormes, M., Akdis M., Martin, M., Reul H., 2004, ‚Comparison of Hydraulic and Hemolytic Properties of Different İmpeller Designs of an İmplantable Rotary Blood Pump by Computational Fluid Dynamics‛, Artificial Organs, Vol. 28(10), pp. 892-898.
  • Behbahani, M., Behr, M., Hormes, M., Steinseifer, U., Arora, D., Coronado, O., Pasquali, M., 2009, ‚A Review of Computational Fluid Dynamics Analysis of Blood Pumps‛, European Journal of Applied Mathematics, Vol. 20(4), pp. 363-397.
  • Bunzel, B., Laederach-Hofmann, K., Wieselthaler, G., Roethy, W., Wolner, E., 2007, ‚Mechanical Circulatory Support as a Bridge to Heart Transplantation: What Remains? Long-term Emotional Sequelae in Patients and Spouses‛, The Journal of heart and lung transplantation, Vol. 26(4), pp. 384-389.
  • Carrier, M., Farinas, M. I., Garon, A., 2006, ‚Hemodynamic Characteristics of a Mixed Flow Pump Prototype: Progress Report of in Vitro and Acute Animal Experiments‛, ASAIO Journal, Vol. 52(4), pp. 373-377.
  • Chopski, S. G., Fox, C. S., Riddle, M. L., McKenna, K. L., Patel, J. P., Rozolis, J. T., Throckmorton, A. L., 2016, ‚Pressure-Flow Experimental Performance of New Intravascular Blood Pump Designs for Fontan Patients‛, Artificial Organs, Vol. 40(3), pp. 233-242.
  • Chua, L. P., Akamatsu, T., 2000, ‚Measurements of Gap Pressure and Wall Shear Stress of a Blood Pump Model‛, Medical Engineering & Physics, Vol. 22(3), pp. 175-188.
  • Degertekin, M., Erol, Ç., Ergene, O., Tokgözoğlu, L., Aksoy, M., Erol, M. K., Eren, M., Şahin, M., Eroğlu, E., Mutlu, B., Kozan, Ö., 2012, ‚Heart Failure Prevalence and Predictors in Turkey: HAPPY Study‛, Turk Kardiyoloji Dernegi Arsivi, Vol. 40(4), pp. 298-308.
  • Fraser, K. H., Taskin, M. E., Griffith, B. P., Wu, Z. J., 2011, ‚The use of Computational Fluid Dynamics in the Development of Ventricular Assist Devices‛, Medical Engineering & Physics, Vol. 33(3), pp. 263-280.
  • Genovese, E. A., Dew, M. A., Teuteberg, J. J., Simon, M.A., Kay, J., Siegenthaler, M. P., Bhama, J. K., Bermudez, C. A., Lockard, K. L., Winowich, S., Kormos, R. L., 2009, ‚Incidence and Patterns of Adverse Event Onset During the first 60 Days After Ventricular Assist Device Implantation‛, The Annals of Thoracic Surgery, Vol. 88(4), pp. 1162-1170.
  • Hu, Q. H., Li, J. Y., Zhang, M. Y., Zhu, X. R., 2012, ‚An Experimental Study of Newtonian and Non-Newtonian Flow Dynamics in an Axial Blood Pump Model‛, Artificial Organs, Vol. 36(4), pp. 429-433.
  • Kafagy, D. H., Dwyer, T. W., McKenna, K. L., Mulles, J. P., Chopski, S. G., Moskowitz, W. B., Throckmorton, A. L., 2015, ‚Design of Axial Blood Pumps for Patients with Dysfunctional Fontan Physiology: Computational Studies and Performance Testing‛, Artificial Organs, Vol. 39(1), pp. 34-42.
  • Leverett, L. B., Hellums, J. D., Alfrey, C. P., Lynch, E. C., 1972, ‚Red Blood Cell Damage by Shear Stress‛, Biophysical Journal, Vol. 12(3), pp. 257-273.
  • 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, Vol. 63(1), pp. 53-59.
  • Olsen, D. B., 2000, ‚The History Of Continuous-Flow Blood Pumps‛, Artificial Organs,Vol. 24(6), 401-404.
  • Thompson, L. O., Loebe, M., Noon, G. P., 2003, ‚What price support? Ventricular Assist Device Induced Systemic Response‛, ASAIO Journal, Vol. 49(5), pp. 518-526.
  • Untaroiu, A., Wood, H. G., Allaire, P. E., Throckmorton, A. L., Day, S., Patel, S. M., Ellman, P., Tribble, C., Olsen, D. B., 2005, ‚Computational Design and Experimental Testing of a Novel Axial Flow LVAD‛, ASAIO Journal, Vol. 51(6), pp. 702-710.
  • Wu, Z. J., Gottlieb, R. K., Burgreen, G. W., Holmes, J. A., Borzelleca, D. C., Kameneva, M. V., Griffith, B. P., Antaki, J. F., 2001, ‚Investigation of Fluid Dynamics within a Miniature Mixed Flow Blood Pump‛, Experiments in Fluids, Vol. 31(6), pp. 615-629.
  • 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, Vol. 22(6), pp. 381-393.
  • Zhang, Y., Zhan, Z., Gui, X. M., Sun, H. S., Zhang, H., Zheng, Z., Zhou, J. Y., Zhu, X. D., Li, G. R., Hu, S. S., Jin, D. H., 2008, ‚Design Optimization of an Axial Blood Pump with Computational Fluid Dynamics”, ASAIO Journal, Vol. 54(2), pp. 150-155.
Toplam 21 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil Türkçe
Konular Mühendislik
Bölüm Makaleler
Yazarlar

Fehmi Mutlu Bu kişi benim

Rafet Yapıcı Bu kişi benim

Yayımlanma Tarihi 1 Eylül 2018
Yayımlandığı Sayı Yıl 2018 Cilt: 6 Sayı: 3

Kaynak Göster

APA Mutlu, F., & Yapıcı, R. (2018). HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ. Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim Ve Teknoloji Dergisi, 6(3), 504-518. https://doi.org/10.15317/Scitech.2018.148
AMA Mutlu F, Yapıcı R. HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ. sujest. Eylül 2018;6(3):504-518. doi:10.15317/Scitech.2018.148
Chicago Mutlu, Fehmi, ve Rafet Yapıcı. “HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ”. Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim Ve Teknoloji Dergisi 6, sy. 3 (Eylül 2018): 504-18. https://doi.org/10.15317/Scitech.2018.148.
EndNote Mutlu F, Yapıcı R (01 Eylül 2018) HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ. Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim Ve Teknoloji Dergisi 6 3 504–518.
IEEE F. Mutlu ve R. Yapıcı, “HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ”, sujest, c. 6, sy. 3, ss. 504–518, 2018, doi: 10.15317/Scitech.2018.148.
ISNAD Mutlu, Fehmi - Yapıcı, Rafet. “HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ”. Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim Ve Teknoloji Dergisi 6/3 (Eylül 2018), 504-518. https://doi.org/10.15317/Scitech.2018.148.
JAMA Mutlu F, Yapıcı R. HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ. sujest. 2018;6:504–518.
MLA Mutlu, Fehmi ve Rafet Yapıcı. “HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ”. Selçuk Üniversitesi Mühendislik, Bilim Ve Teknoloji Dergisi, c. 6, sy. 3, 2018, ss. 504-18, doi:10.15317/Scitech.2018.148.
Vancouver Mutlu F, Yapıcı R. HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ KULLANARAK KARIŞIK AKIŞLI BİR KALP DESTEK POMPASININ TASARIMI VE PERFORMANSININ İNCELENMESİ. sujest. 2018;6(3):504-18.

MAKALELERINIZI 

http://sujest.selcuk.edu.tr

uzerinden gonderiniz