Влияние геометрических параметров насосов аппарата вспомогательного кровообращения на их напорно-расходные характеристики

Цель исследования. Статья посвящена оценке влияния геометрических параметров насосов аппарата вспомогательного кровообращения на угол наклона напорно-расходной характеристики. Цель исследования обусловлена необходимостью разработки новых и модернизации известных насосов для аппаратов вспомогательного кровообращения.

Методы. Для оценки влияния геометрических параметров на наклон напорно-расходной характеристики разработан трехфакторный план численного эксперимента, состоящий из 21 насоса, имеющего разные геометрические параметры. Факторами являлись: диаметр втулки d, диаметр периферии D и угол диагональности втулки φ рабочего колеса насоса. Численное моделирование течения крови в насосах выполнялось методом конечных объемов в расчетном пакете OpenFOAM11. Для расчета использован метод SIMPLE, а для учета вращения применена технология MRF.

Результаты. В результате численного эксперимента получены относительные напорно-расходные характеристики каждого из насосов, показывающие влияние диаметров D, d и диагональности φ на наклон напорно-расходной характеристики, которые методом наименьших квадратов аппроксимированы полиномом 3-й степени. Полученные зависимости позволяют определять частоту вращения насоса для любого его режима работы. Из обобщения результатов численного моделирования течения крови в насосах получены трехмерные поверхности, представляющие множество зависимостей наклона напорно расходной характеристики от геометрических параметров проточной части насосов.

Заключение. Установлено, что изменением диаметров втулки и периферии, угла диагональности можно добиться требуемого увеличения наклона напорно-расходной характеристики. Минимальный наклон достигается при средних значениях факторов D, d, φ численного эксперимента, а максимальный – при минимуме и при максимуме значений диаметров. Материалы статьи представляют практическую ценность при проектировании новых и модернизации осевых насосов аппаратов вспомогательного кровообращения

1. The Heart of the World / M. Di Cesare, P. Perel, S. Taylor, C. Kabudula, H. Bixby, T. A. Gaziano [et al.] // Glob. Heart. 2024. N 19. Р. 11. https://doi.org/10.5334/gh.1288

2. Global burden of heart failure: a comprehensive and updated review of epidemiology / G. Savarese, P. M. Becher, L. H. Lund, P. Seferovic, G. M. C. Rosano, A. J. S. Coats // Cardiovasc. Res. 2023. N 118. Р. 3272–3287. https://doi.org/10.1093/cvr/cvac013

3. Sex-specific risk factors for new-onset heart failure: the PREVEND study at 25 years / B. J. Van Essen, J. E. Emmens, J. Tromp, W. Ouwerkerk, M. D. Smit, C. A. Geluk [et al.] // Eur. Heart. J. 2025. N 46. Р. 1528–1536. https://doi.org/10.1093/eurheartj/ehae868

4. Global epidemiology of heart failure / M. S. Khan, I. Shahid, A. Bennis, A. Rakisheva, M. Metra, J. Butler // Nat. Rev. Cardiol. 2024. N 21. Р. 717–34. https://doi.org/10.1038/s41569-024-01046-6

5. Heart Disease Mortality in the United States, 1970 to 2022 / S. J. King, T. Y. Wangdak Yuthok, A. M. Bacong, A. Khandelwal, D. S. Kazi, M. E. Mussolino [et al.] // J. Am. Heart. Assoc. 2025. N 14. Р. e038644. https://doi.org/10.1161/JAHA.124.038644

6. Twenty-year temporal and regional trends in heart transplantation in Europe: results from the Global Observatory on Donation and Transplantation (GODT) / Y. Manla, F. J. Al Badarin, M. Soliman, L. Gobolos, F. Alsindi, F. Bader // Eur. Heart. J. 2021. N 42. Р. ehab724.0968. https://doi.org/10.1093/eurheartj/ehab724.0968

7. Early renal failure after primary thoracic organ transplantation / E. Hsich, T. P. Singh, W. S. Cherikh, A. Lewis, S. Kian, M. Perch [et al.] // J. Heart. Lung. Transplant. 2025. N 44. Р. 1199–214. https://doi.org/10.1016/j.healun.2024.11.042

8. The International Thoracic Organ Transplant Registry of the International Society for Heart and Lung Transplantation: 2025 Annual Report of Heart and Lung Transplantation / T. P. Singh, E. Hsich, W. S. Cherikh, M. Perch, D. Hayes, A. Lewis [et al.] // J. Heart. Lung. Transplant. 2025. P. S1053249825019205. https://doi.org/10.1016/j.healun.2025.04.014

9. OPTN/SRTR 2023 Annual Data Report: Heart / M. M. Colvin, J. M. Smith, Y. S. Ahn, K. A. Lindblad, D. Handarova, A. K. Israni [et al.] // Am. J. Transplant. 2025. N 25. Р. S329–421. https://doi.org/10.1016/j.ajt.2025.01.02410. Left Ventricular Assist Devices: A Primer For the General Cardiologist / S. Chaudhry, A. D. DeVore, H. Vidula, M. Nassif, K. Mudy, E. Y. Birati [et al.] // J. Am. Heart. Assoc. 2022. N 11. Р. e027251. https://doi.org/10.1161/JAHA.122.027251

10. Schmidt T., Reiss N. LVAD in der kardiologischen Rehabilitation: Leistungsphysiologische und rhythmologische Aspekte // Herzschrittmachertherapie Elektrophysiologie. 2023. N 34. Р. 45–51. https://doi.org/10.1007/s00399-022-00914-3

11. LVAD therapy as a catalyst to heart failure remission and myocardial recovery / E. A. Hamad, M. Byku, S. B. Larson, F. Billia // Clin. Cardiol. 2023. N 46. Р. 1154–62. https://doi.org/10.1002/clc.24094

12. Хаустов А. И., Боярский Г. Г., Кротов К. В. Разработка микронасосной системы для поддержки кровообращения // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2022. № 25(5). С. 104-112. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2022-25-5-104-112

13. Physiology and Clinical Utility of HeartMate Pump Parameters / M. N. Belkin, V. Kagan, C. Labuhn, S. P. Pinney, J. Grinstein // J. Card. Fail. 2022. N 28. P. 845–862. https://doi.org/10.1016/j.cardfail.2021.11.016

14. Кротов К. В., Хаустов А. И. Влияние геометрических параметров насосов аппарата вспомогательного кровообращения на их гемолитические характеристики // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2025. № 13(1). С. 1-12. https://doi.org/10.26102/2310-6018/2025.48.1.028

15. Кротов К. В., Хаустов А. И., Боярский Г. Г. Моделирование травмы крови в силовом поле // Математическое моделирование на суперЭВМ экса- и зеттафлопсной производительности: сборник тезисов конференции. Саров: Российский федеральный ядерный центр ‒ Всероссийский НИИ экспериментальной физики, 2022. С. 56-57. https://doi.org/10.53403/9785951505224_56

16. Numerical computations of blood flow through stenosed arteries via CFD tool OpenFOAM / S. Nadeem, S. Akhtar, A. Saleem, N. Akkurt, H. Ali Ghazwani, S. M. Eldin // Alex. Eng. J. 2023. N 69. Р. 613–637. https://doi.org/10.1016/j.aej.2023.02.005

17. Technique for axial pump characteristics predicting in CFD package OpenFOAM / E. A. Ivanov, A. A. Zharkovsky, I. O. Borshchev, D. G. Svoboda // AIP Conference Proceedings: Oil and Gas Engineering Conference. New York: American Institute of Physics Inc., 2019. Vol. 2141, is. 1. P. 030063. https://doi.org/10.1063/1.5122113

18. Numerical simulation research on multiphase flow of aviation centrifugal pump based on OpenFOAM / X. Liu, J. Fu, J. Yang, D. Yin, Z. Zhou, H. Li // Chin. J. Aeronaut. 2024. N 37. Р. 256–275. https://doi.org/10.1016/j.cja.2023.11.016

19. Механические устройства поддержки кровообращения для пациентов с малыми антропометрическими показателями / О. Ю. Есипова, А. С. Есипов, А. П. Кулешов, Н. В. Грудинин // Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2024. № 26(1). С. 78-87. https://doi.org/10.15825/1995-1191-2024-1-78-87