物理学 > 医学物理
[提交于 2025年7月15日
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标题: 多目标CFD优化用于PediaFlow儿科左心室辅助装置的中间扩压器级
标题: Multi-objective CFD optimization of an intermediate diffuser stage for PediaFlow pediatric ventricular assist device
摘要: 背景:计算流体动力学(CFD)已成为心室辅助装置(VAD)设计的重要工具,其中最大化性能的目标常常与生物相容性发生冲突。由于较小的患者群体带来的严格尺寸限制,这种权衡在儿科应用中显得更加明显。本研究提出了一个自动化的CFD驱动的形状优化方法,用于新型中间扩散器阶段的优化,该阶段位于PediaFlow儿科VAD的叶轮下游,以提高压力恢复。方法:我们采用多目标优化方法,在最大化压力恢复的同时最小化溶血。所提出的扩散器阶段从整个流动域中分离出来,使得使用Sobol序列高效评估超过450种设计变体成为可能,这产生了非支配解的帕累托前沿。选定的最佳候选方案进一步使用局部T搜索算法进行优化。然后将优化后的前部扩散器整合到整个泵中进行CFD验证和体外验证。结果:我们识别出关键依赖关系,较长的叶片增加了压力恢复但同时也增加了溶血,而包裹角度与压力恢复呈强抛物线关系,与溶血呈单调关系。出乎意料的是,叶片较少(2-3片)的配置在两个指标上始终优于叶片较多(4-5片)的配置。优化的两叶片设计使泵在较低转速下运行(14,000 vs 16,000 RPM),提高了水力效率从26.3%到32.5%,并将溶血降低了31%。结论:这种方法表明,多目标CFD优化可以系统地探索复杂的设计空间,同时平衡儿科VAD的性能和血液相容性的竞争优先事项。
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