基于fluent的隧道滅菌烘箱結構優化設計

王炳剛 過星 于穎

（1.中國藥科大學，江蘇南京 210009；2.常州四藥制藥有限公司，江蘇常州 213004）

1 前言

熱風循環型隧道滅菌烘箱已廣泛用于西林瓶、安瓿的干燥滅菌，成為藥廠無菌注射劑、粉針劑生產的關鍵設備。然而目前國內隧道滅菌烘箱生產廠家在機械加工精度、設備監控水平和設計研發、能耗等方面與世界知名廠商相比還存在一定的差距，很多方面都有待進一步改進。德國Bosch 公司，德國B+S 公司，意大利IMA 公司，ROMACO 公司生產的熱風循環型隧道滅菌烘箱技術性能先進，自動化程度高，溫度控制運行穩定可靠，有許多值得我們借鑒的地方[1]。熱風循環型隧道滅菌烘箱主要分為三段：預熱段、滅菌段、冷卻段。預熱段主要用于西林瓶的預熱，以防升溫過快導致的破瓶。滅菌段主要用于西林瓶的滅菌去熱源，是烘箱的關鍵部分。冷卻段主要用于將高溫西林瓶冷卻到適宜溫度以進入下一步灌裝工序[2]。滅菌段的結構如下圖1 所示[3]，其熱風均勻性一直是評價隧道滅菌烘箱的關鍵指標，熱風均勻即說明烘箱熱風循環結構設計合理，以實現更好的節能。本文即針對隧道滅菌烘箱的滅菌段熱風均勻進行一系列的結構設計模擬，以期做一些有價值的研究。

2 風罩及回風道的模擬

傳統的機械設計大多依靠仿制和經驗。而Fluent軟件具有強大的流體模擬功能，Fluent 軟件對于流體的模擬已經很成熟[4]，將其用于烘箱的熱風循環模擬，能夠完整的模擬預測空氣在不同狀態及結構下的流速，流向及分布。從而為結構設計提供有力依據，成為隧道烘箱設計的一種有力工具。

圖1 滅菌段

數學模型建立：

要模擬熱風在不同風罩及回風道結構中的氣流分布情況，必須要建立合理的數學模型。其主要數學模型如下：

質量守恒方程：

式中：

符號Su、Sv和Sw是動量守恒方程的廣義源項。

選擇標準k-ε 模型，與之相對應的輸運方程為：

式6 和7 中，Gb表示由于浮力引起的湍動能k 的產生項，YM表示可壓湍流中脈動擴張的貢獻，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能k 的產生項，C1ε、C2ε和C3ε為經驗常數，σk和σε分別是與湍動能k和耗散率ε 對應的Prandtl 數，Sk和Sε是用戶定義的源項[5]。

湍動耗散率：

湍動粘度：

3 風罩的設計

隧道滅菌烘箱滅菌段的風罩結構是確保熱風出風均勻的關鍵結構，也是烘箱設計時所要考慮的重點[6]。目前普遍使用的是梯形風罩，并且在其下部配有均流板以確保出風均勻。

3.1 現有梯形風罩與均流板的模擬

根據現有風罩的梯形結構，建立模型并通過fluent模擬后得到如圖2 所示的速度分布圖。在圖2 中可以明顯的看到中間部位的風速快，受到的沖擊力大。這種情況下即使經過高效過濾器后出風比較均勻也是不可取的。因為中部高效過慮器受得沖擊力大，必然會導致高效過濾器使用壽命縮短，加大泄露風險，高效過濾器的損壞意味著滅菌失敗[7]。

3.2 散流風罩模擬

基于目前梯形風罩與均流板存在中部沖擊大的缺陷，設計出了散流板結構式的風罩以期改善出風效果。在風罩內加入一定數目的散流板[8]。并進行模擬，得到的模擬效果如圖3 所示。加入散流板后整個出風效果有了明顯的改善。中部所受的沖擊力明顯減小，可以初步認定散流風罩的設計優于之前的結構。

圖2 速度分布圖

4 回風道的設計

合理的回風道設計不僅能影響西林瓶受熱均勻性，同時也能影響回風的及時與合理。所以，回風道的設計對隧道滅菌烘箱的熱風循環非常關鍵。

4.1 大均孔控流板

在網帶的下方安裝一塊大孔均流板以確保及時合理的回風。建立簡化二維模型并進行計算模擬得到如圖4 所示結果[9]。從圖4 中可以明顯看到靠近回風側的大孔處風速大，遠離回風側的風速小，即會出現圖5所示的溫差趨勢，遠離回風側的西林瓶溫度低，靠近回風側的西林瓶溫度高，從而出現溫度不均勻，存在溫差。烘箱的溫度分布均勻是設備設計時必須要考慮的重點，溫度分布不均勻難以確保藥品的生產合格[10]。

4.2 孔徑遞增控流板

為了優化以上均孔板出現的回風不均勻，嘗試采用孔徑遞增的控流板以期改善回風效果?？讖綇幕仫L側向遠離回風側逐漸增大，建立該模型并進行數值模擬得到如圖6 所示結果。遠離回風側仍然存在風速較小區域，從圖6 中速度分布可知較圖4 而言回風效果已有所改善[11]。

4.3 孔徑遞增控流板與導流板結合

為了實現更好的回風效果，嘗試在孔徑遞增控流板的基礎上添加導流板為此重新建立模型并經過數值模擬得到如圖7、圖8 所示，分別可見在添加一塊導流板及兩塊導流板時回風道不同的速度分布圖[12]。

通過以上模擬效果可知添加一塊或兩塊導流板，并且調節它們之間的位置及距離可獲得較為理想的回風效果。并且添加兩塊導流板的回風在穿過網帶時更為均勻，效果更好。

圖4 大均孔控流板

圖5 溫差趨勢

圖6 孔徑遞增控流板

圖7 一導流板時速度分布

圖8 二導流板時速度分布

5 風罩與回風道組合

以上分別模擬了不同風罩及回風道對熱風均勻的影響，為了更好的說明問題，在此考慮將二者結合起來以期更加充分的說明設計改進的可行性。

5.1 均流板風罩與均孔控流板回風道

建立均流板風罩與均孔控流板回風道組合1 的模型并進行數值模擬得到圖9 所示結果。

由圖9 可知均流板風罩與均孔控流板回風道的結構必然會導致風罩出風時中間速度大，沖擊力大，勢必會影響高效過濾器的使用壽命[13]。與此同時，下部回風道的回風也是偏置的，肯定會出現熱風不均勻的現象。所以這種結構不可取。

5.2 均流板風罩與遞增孔板回風道

建立均流板風罩與遞增孔板回風道組合2 的模型并進行數值模擬得到圖10 所示結果[14]。

由圖10 可知，對于風罩出風而言，仍然是中部受沖擊力太大。回風道改為遞增孔板后，回風分布有所改變，大孔處回風量大，風速小。小孔處回風量小，風速大。

5.3 均流板風罩與導流板回風道

建立均流板風罩與導流板回風道組合3 的模型并進行數值模擬得到圖11 所示結果。

由圖11 可知，均流板風罩在風速過大時在兩側會出現漩渦，這表明此時中部所受沖擊力更大。雖然回風道改為導流板設計后回風變得明顯均勻，只有合理的回風道設計才能夠確?？諝獾木鶆騕15]。

5.4 散流板風罩與遞增孔板回風道

建立散流板風罩與遞增孔板回風道組合4 的模型并進行數值模擬得到圖12 所示結果。

圖9 組合1 速度分布圖

圖10 組合2 速度分布圖

由圖12 可知，在風罩處添加散流板后，出風不均勻的現象得到明顯改善，中部所受壓力得到緩解。但是回風道處遞增孔板的設計并沒有顯著改善回風效果。大孔出風風速小，小孔出風風速大。

5.5 散流板風罩與導流板回風道

建立散流板風罩與導流板回風道組合5 的模型并進行數值模擬得到圖13 所示結果。

由圖13 可知散流板風罩能夠使上部出風均勻，延長高效過濾器的使用壽命。與此同時，下部導流板回風道設計能夠時回風均勻，確保在孔板以上熱風分布均勻。綜上所述，散流板風罩與導流板回風道的結構是模擬設計中最理想效果。不僅使得上部出風均勻，而且也使得下部回風均勻。合理的速度和壓力的分布均勻才能表明結構的設計合理[16]。

圖11 組合3 速度分布圖

圖12 組合4 速度分布圖

圖13 組合5 速度分布圖

6 總結與展望

本文旨在對fluent 模擬軟件用于烘箱結構設計做出嘗試。通過對目前存在的風罩及回風道結構進行模擬，并在此基礎上進行結構改進，得到較理想的改進設計結構。雖然沒有實物作為直接證據，但仍不失為一次有意義的嘗試?？梢灶A見在不遠的將來計算機輔助制藥設備結構設計必須成為非常重要的手段。

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