目前心血管相关疾病的发病率持续增加,人工心脏（又称血泵）作为一种有效的治疗手段在临床上的应用上愈发广泛。血泵内血液机械损伤及其引起的并发症（如溶血和血栓）是临床应用中面临的重要难题。离心式血泵底部通常设计有二次流道,以减少流动死区,降低形成血栓的风险。但二次流道的存在,导致血泵内二次流和湍流强度非常高,会显著增加血液损伤。旋转式血泵的最新发展趋势是采用磁悬浮轴承以避免机械接触对血液造成损伤。轴流式血泵实现完全磁悬浮难度很大,因此目前商业磁悬浮血泵均为离心式血泵。此类血泵依然保留了二次流道,既避免流动死区,也用来容纳线圈和磁铁。捕捉关键流场信息及准确预测水力学性能是血液损伤预测和血泵优化设计的前提条件。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）已被广泛用于血泵流场预测,血液损伤评估,以指导血泵优化设计。高强度二次流的干扰不仅给数值模拟的准确性带来挑战,也使得传统水力机械设计的经验公式失效。目前血泵的数值模拟仍基于雷诺平均方法,难以捕捉血泵内的复杂流动,给血液损伤的预测带来干扰,进而影响优化设计的结果。本文基于大涡模拟方法,研究湍流模型、网格等不确定因素对血泵流场模拟的影响,发展高保真度的血流流场数值模拟方法;并采用该方法对血泵进行正交实验优化设计,探究血泵内流动机理,提高血泵水力学性能,改善血液相容性。主要研究内容及结果如下:（1）发展一种用于旋转血泵流场模拟的快速准确大涡模拟方法（轻量LES）。轻量LES采用和雷诺平均方法一致的时空分辨率。结果表明,相较于主流的雷诺平均方法,“轻量LES”在预测血泵压头和速度场等关键流动变量上更接近实验值。“轻量LES”虽然牺牲了时空分辨率,但预测精度高,计算量较小,可以作为一种快速准确地进行血泵优化设计的工程方法。（2）探讨使用大涡模拟中网格失配对预测血泵流场和溶血的影响。研究发现,网格节点不对应会造成应变率、速度、湍动能等流动变量的不连续,导致压头、溶血等指标的误差。血泵数值模拟时推荐使用易于生成且计算结果精确的全非结构网格。（3）采用正交试验法对磁悬浮血泵的叶片入口安放角、叶片出口安放角、叶片包角、叶片厚度、分流叶片直径、叶顶间隙等设计变量进行优化。相对于优化前的基准血泵,优化后血泵的压头提高4%,效率提高1.3%,血液滞留时间减少3.4%。（4）进一步验证不同湍流模拟方法的优劣。研究发现,定常雷诺平均法不适合指导血泵优化设计,其对二次流和分离涡的错误预测会使优化方向偏离。分析了血泵内流动机理的变化,发现叶顶间隙和分流叶片直径是影响血泵性能的两个主要因素,两者交互影响导致泄漏流动和二次流动,影响血泵性能。