Bir kalp destek pompasının geometrik optimizasyonu

Kalp yetmezliği olan hastaların tedavisi için kullanılmak üzere geleneksel metotlarla tasarlanan rotadinamik kalp destek pompalarında kinik uygulamalarda karşılaşılan problemlerden dolayı, onların tasarımında iyileştirme çalışmalarına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu iyileştirme çalışmalarında verim ve kırmızı kan hücrelerinin hasarı azaltılmaya çalışılmaktadır. Bu çalışmada geleneksel yöntemlerle tasarlanmış santrifüj bir kalp destek pompasının hemoliz indeksi ve hidrolik verim açılarından iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, santrifüj kan pompaları üzerine hemoliz indeksi tahmin metotları üzerine çalışma yapılmıştır. Hemoliz indeksi tahmininde yaygın olarak kullanılan Euler yaklaşımıyla Power-Law modelinde kullanılacak kat sayı setleri, viskozite tanımı ve hesaplamalı akışkanlar dinamiğinde (HAD) kullanılacak türbülans modelleri karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma çalışmaları sonucunda deneysel sonuçlarla en yakın uyumu veren kat sayı seti, viskozite tanımı ve türbülans modeli belirlenip çalışmanın ilerleyen aşamalarında uygulanmıştır. Optimizasyon çalışmasında hidrolik verim ve hemoliz indeksi üzerinde en yoğun etkiye sahip olduğu değerlendirilen 7 geometrik parametre seçilmiş, bu geometrik parametrelerin alt ve üst sınırları belirlenerek arama bölgesi oluşturulmuştur. Bu arama bölgesi içinde 183 örnek pompa oluşturulmuş ve HAD simülasyonları yapılmıştır. HAD simülasyonlarından elde edilen hemoliz indeksi ve hidrolik verim sonuçları kullanılarak pompanın uyarlanabilir nöro-bulanık çıkarım sistemi (ANFIS) modeli elde edilmiştir. Optimizasyon çalışması, bu ANFIS modelleri kullanılarak genetik algoritma (GA) ile yapılmıştır. GA ile bulunan optimum boyutlara sahip pompa modeli ANSYS Fluent ile simüle edilmiş ve elde edilen sonuçlar temel pompanın simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Optimizasyon sonucunda, temel pompanın hemoliz indeksi açısından %3,9 ve hidrolik verim açısından %8,7 oranında iyileştirildiği görüldü. Optimum pompa ile temel pompa tasarım devri dışında da karşılaştırıldı. Denenen tüm devirlerde optimum pompanın hem hemoliz indeksi hem hidrolik verim hem de basınç farkı açılarından temel pompadan %1,7 ile %8,7 arasında değişen seviyelerde daha iyi olduğu görüldü. Aynı şekilde tasarım debisi dışında da karşılaştırmalar yapıldı ve yine denenen her debi değerinde de optimum pompanın %1,7 ile %8,7 arasında değişen seviyelerde daha yüksek performanslı olduğu tespit edilmiştir. Optimum pompanın çarkının eğri, konik ve düz olmak üzere üç farklı örtü (kapak) tipine sahip olan versiyonları HAD ile simüle edilip karşılaştırılmıştır. Bu denemelerde çarkı konik örtülü olan versiyon eğri örtülü çarka sahip versiyondan hemoliz indeksi açısından %2,8, hidrolik verim açısından %2,7 daha yüksek performans göstermiştir