Development of an inverse design method for propellers with application on left ventricular devices

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-10-16
Issue Year
2017
Authors
Bleiziffer, Mihai
Editor
Abstract

This work addresses the development and optimization of propellers in particular of propeller-pumps used in cardiac support (left ventricular assist devices).

A novel propeller design method is firstly validated for high-Re marine, multiblade propellers and is adapted afterward for designing small propeller-pumps used as left ventricular assist devices. The initial design framework (ADAP) is fully inverse for the case of marine propellers and is coupled with 3D CFD calculations. In addition, for marine propellers, a Blade Element Method (BEM) is developed for predicting off-design performance. The propeller designer can thus engage in a much faster goal-oriented design parameter search without the use of full 3D-CFD calculations. For the cardiac propeller-pump the design is performed both direct and inverse and has to be always accompanied by CFD simulations. The complexity of the flow around an encased propeller prevents the propeller designer from using BEM in this case.

A propeller design framework (ADAP) with different radial momentum loss theories was developed in Matlab and validated against state of the art vortex-lattice methods. ADAP was programmed to write geometry data to grid generators (e.q. ANSYS TurboGrid) reducing the time needed from aerodynamic design to CFD simulation. It can also write structured data files which are needed for CAD systems for parametric generation of geometries. In the present work the interface was written for Creo. Instead of using only predefined NACA camber lines for the radial sections of propellers the framework is improved by implementing a novel method of computing thin airfoil cascades. This method is helpful in the case of designing propellers with more than 4 blades, where blade to blade effects are significant, as for example in the case of propellers used for large container ships. CFD results showed that by using the design code presented in this thesis the thrust of a 6 blades marine propeller was improved by 3.5% and was accompanied by a small propulsive efficiency improvement. Different thickness distributions are implemented in the framework allowing designers to choose the proper one for each application.

ADAP was adapted for small diameter propellers-pumps and together with CFD simulations is shown that it can be used for an iterative improvement of a left ventricular assist device. The work also shows that this type of turbomachine working at the duty point required by the human body is off the optimal design. An iterative optimization with different twist angles for the propeller blades was required so that a relationship between blade twist, pressure increase and propeller through-flow was established. Fast propeller-pump designing was possible in ADAP and relevant aspects of the physics flow were analyzed using CFD simulations.

Stationary CFD simplifies the complex flow physics and therefore experimental confirmation is required. A modular test-rig was developed for the stationary measurement of the LVAD propeller-pump performance. The performance improvement achieved in the CFD was confirmed by measurements on the test-rig. A second test rig simulating the instationary conditions in the human body (MOCK) was developed and used for the validation of time-dependent simulations.

The present work has shown that pressure characteristics of propeller-pumps can be improved without increasing blood damage. The presented framework was essential in avoiding the prohibitive computational cost of standard CFD simulations.

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Optimierung von Propellern, insbesondere von Propeller-Pumpen, die als linksventrikuläre Unterstützungspumpen verwendet werden.

Ein neuartiges Propellerauslegungsprogramm wurde zunächst für Schiffspropeller validiert. Dieses Auslegungsprogramm wurde danach für die Auslegung kleiner Propellerpumpen, die als linksventrikuläre Unterstützungspumpen verwendet werden, angepasst. Das ursprüngliche inverse Auslegungsprogramm ist mit 3D-CFD-Berechnungen gekoppelt. Darüber hinaus wurde, für die Vorhersage von Off-Design Performance von Schiffspropellern, eine Blade-Element-Methode (BEM) programmiert. Dies ermöglicht dem Propeller Designer eine wesentlich schnellere zielorientierte Designparameterstudie ohne Verwendung von vollen 3D-CFD-Berechnungen. Bei der Herzunterstüt-zungspumpe wurde die Auslegung sowohl direkt als auch invers ausgeführt, wobei sie immer von CFD-Simulationen begleitet wurde. Die Komplexität der Strömung um einen umhüllten Propeller hindert den Propellerausleger in diesem Fall die BEM zu verwenden.

Ein Propellerauslegungsprogramm (ADAP) mit unterschiedlichen radialen Impulsverlust-Theorien wurde gegen Stand der Technik Vortex-Lattice-Methoden validiert. ADAP wurde in Matlab programmiert, um Geometriedaten an Gittergeneratoren (z.B. ANSYS TurboGrid) zu schreiben, wodurch die Zeit vom aerodynamischen Design zur CFD-Simulation reduziert wurde. Es kann auch strukturierte Datendateien schreiben, die für CAD-Systeme zur parametrischen Erzeugung von Geometrien benötigt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Schnittstelle für Creo erzeugt. Anstelle der Verwendung von vorgegebenen NACA Profilsehnen wurde das Auslegungsprogramm durch die Implementierung eines neuartigen Verfahrens zur Berechnung dünner Gitterprofilen verbessert (CVL). Dieses Verfahren ist hilfreich bei der Auslegung von Propellern mit mehr als 4 Schaufeln, wobei die Schaufel-zu-Schaufel-Effekte signifikant sind, wie zum Beispiel bei Propellern, die für große Containerschiffe verwendet werden. CFD Ergebnisse zeigten, dass durch die Verwendung von ADAP mit CVL der Schub eines 6 blättriges Schiffspropellers um 3.5% verbessert wurde. Dazu wurde auch der Wirkungsgrad des Propellers leicht angehoben. Durch die Implementierung von verschiedenen Dickenverteilungen in ADAP steht Propellerentwickler immer die richtige Wahl für ihre Anwendung zur Verfügung.

ADAP wurde für Propellerpumpen mit kleinem Durchmesser angepasst und zusammen mit CFD-Simulation wurde gezeigt, dass es für die Verbesserung einer linksventrikulärer Unterstützungspumpe verwendet werden kann. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass diese Art von Turbomaschine, die am Arbeitspunkt des menschlichen Kreislaufs angepasst ist, nicht optimal als Propellerpumpe ausgelegt werden kann. Dies führte zu einer iterativen Optimierung mit unterschiedlichen Winkeln für die Propellerschaufel, so dass eine Beziehung zwischen Winkel, Druckerhöhung und Propellerdurchfluss hergestellt wurde. Eine schnelle Propellerpumpenauslegung war in ADAP möglich und durch die Verwendung von CFD-Simulationen wurden Aspekte der Strömungsphysik analysiert.

Stationäres CFD vereinfacht die komplexe Strömungsphysik, so dass eine experimentelle Validierung erforderlich ist. Für die stationäre Messung der LVAD-Propellerpumpe wurde ein modularer Prüfstand entwickelt. Die im CFD erzielte Verbesserung wurde durch Messungen am Prüfstand bestätigt. Für die Validierung zeitabhängiger Simulationen wurde ein zweiter Prüfstand entwickelt, der die instationären Zustände im menschlichen Körper simuliert (MOCK).

Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Druckcharakteristik von umhüllten Propellerpumpen durch das neu entwickelte Auslegungsverfahren verbessert werden kann, ohne die Blutschädigung zu beeinträchtigen.

DOI
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