人工肾广泛应用于血液透析以去除肾衰竭病人血液中的尿毒症毒素和过量的水.人工肾的传质受很多因素影响,比如进出口结构、纤维管填充密度、纤维管分布等等,因而十分复杂.本文首先建立了用于描述人工肾稳态传质的双多孔介质模型和非稳态传质的循环Krogh模型.在双多孔介质模型中,中空纤维管束看作是一个由两个相互连通的多孔区域组成的多孔介质,这两个多孔流动区域的交界面是纤维膜,通过纤维膜进行质量交换.该模型体现了一个新思想,即双多孔介质思想或者说互为多孔介质思想.模型首先被文献中的实验数据所验证,然后运用该稳态模型定性讨论了人工肾进出口结构对传质的影响.在循环Krogh模型中,中空纤维管离散为有限个微Krogh单元,对每个微单元应用Kedem-Katchalsky方程进行循环传质计算.基于该非稳态模型,考察了人工肾透析过程中三种血液循环模式下人工肾的传质情况,获得了一种最佳的血液循环模式.其次,应用Fluent软件工具,模拟了人工肾透析器内部的三维流场,提出了4种可行的优化方案:首次理论上定性分析了人工肾透析液进出口处的分流片对传质的影响,同时对分流片作了改进设计,即将分流片设计为同形状的多孔分流片,获得了多孔分流片的最佳Darcy渗透性系数;研究了人工肾4种不同放置方式时的传质情况,首次定性考察了重力场对透析传质的影响,从清除率快慢的角度推荐临床应采取竖直放置血流向上的方式;考察了透析器外壳内壁面对管外传质影响,比较了考虑壁面影响和不考虑壁面影响两种情况下的管外传质系数.最后,重点研究了人工肾透析器管外流动,理论推导了透析器管外传质系数表达式,该表达式首次同时考虑了纤维管半径的随机分布和空间的随机分布对管外传质的影响.在该表达式中,Gauss分布函数描述纤维管半径的随机分布,Voronoi tessellation划分描述纤维管空间的随机分布,并假设这两种分布相互独立.结果表明,纤维管半径的分散性导致了管外传质系数的降低,而且随着纤维管填充密度(定纤维管分散性)或纤维管分散性(定纤维管填充密度)的增大,管外传质系数越来越偏离纤维管半径一致时的理想值.