一種血球儀流動室系統的聯合仿真研究

【作者】李照霞，韓紹峰，路丹丹，趙呈路，黃瑞寧哈爾濱工業大學深圳研究生院，深圳市，518055

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一種血球儀流動室系統的聯合仿真研究

【作者】李照霞，韓紹峰，路丹丹，趙呈路，黃瑞寧
哈爾濱工業大學深圳研究生院，深圳市，518055

【摘要】在流體流場分析中，常見的仿真為單純的一維仿真或者三維仿真，為了更加快速、準確地分析血球儀流體系統，為系統設計時選用合適的樣本管，該文采用新興的一維、三維聯合仿真方法對流動室子系統進行了模擬仿真。分別用Flowmaster和ANSYS對系統進行建模，用MpCCI將兩者連接起來實現參數耦合，實現對鞘液流速研究。研究滿足了血球儀流體系統的設計分析需求。該文為醫療器械的流體系統開發提供了一種新方法，對后續仿真有重要的借鑒意義。

【關 鍵 詞】系統仿真；流動室；Flowmaster；ANSYS；耦合仿真

0　引言

血球儀全稱為血細胞分析儀，是用來測量單位容積中的紅細胞、白細胞、血小板及血紅細胞等參數的儀器，在醫院得到廣泛應用。但從國內市場來看，醫院使用的血細胞分析儀90%引進國外，價格昂貴，與此同時我國醫療器械還處于開發階段，本文課題就是在這樣一個大的背景下針對流體系統提出的。流體系統作為血細胞分析儀最重要的組成部分，對流動室系統進行仿真分析有重要意義。

隨著模擬仿真技術的發展，國內外許多研究人員選擇利用仿真技術完成流體系統設計與優化，例如：針對AP1000啟動給水系統，羅峰等[1]利用Flowmaster開展瞬態分析，提出用安裝蓄壓箱的方法來減少流量的波動；方舉鵬等[2]針對三通閥利用Fluent進行數值模擬分析，得到壓力場、溫度場的流態三維分布情況；Nobile F等[3]建立血液三維控制方程和簡化的一維神經網絡控制方程，以接觸面上流量和壓力為求解目標進行耦合計算；王雯等[4]利用ANSYS軟件對系統在固定開度與變開度情況及流開型和流閉型情況下的振動響應進行了定性分析。

目前一維流體計算與三維CFD(Computational Fluid Dynamics）[5]技術是流體分析中最常用的兩種方法。然而這兩種方法都有各自的缺點，無法對流體系統進行完全有效的整體分析。因此，本文擬采用一維和三維耦合仿真的方法對流動室子系統進行研究。該方法一方面可以滿足獲取系統中各個支路的壓力和流量的實時變化，另一方面可以實現具體元件的流場分析。通過對本文耦合仿真平臺進行實驗測試，以及對結果進行分析，驗證了該方法的有效性。

1　流動室物理模型分析

流動室子系統模型如圖1所示。

DIFF池為經過處理的血樣，當閥11通電后，鞘液注射器開始吸液，使閥21與閥11間充滿定量血樣，閥11斷電，注射器停止吸液。然后閥12、閥13、閥19通電，同時鞘液注射器SH和樣本注射器SP排液，樣本經過樣本針進入流動室，同時在鞘液的包裹下流過激光區，利用鞘流原理完成血紅蛋白檢測技術，廢液經過閥19排入DIFF池中。如何進行血紅蛋白計數在此不作說明，本文重點關注流體的運動狀態[6]。

圖1　流動室子系統模型Fig.1 The model of fl ow chamber subsystem

2　三維流動室建模

本文先用Pro/E wildfire 4.0進行物理建模，然后在ANSYS 12.0 workbench中進行分析計算。Pro/E物理模型與劃分網格后的模型分別如圖2所示，并在噴嘴進行局部加密處理。

圖2　流動室的Pro/E模型與網格模型Fig.2 Pro/E and gridding model of fl ow chamber

表1　一維管路中各元件參數Tab.1 Parameters of 1-D pipeline

表2　接口流阻計算模型Tab.2 Computation model of port’s fl ow resistance

圖3　一維管路Fig.3 1-D pipeline

流動室流體采用Laminar計算模型。邊界條件設置為“樣本入口”： Mass fl ow rate：0.01 mL/s，“稀釋液入口”： Mass fl ow rate：0.005 mL/s，樣本流速度已知，且鞘液初始速度小于樣本速度。

3　一維管路設計

根據實際模型，我們將注射器模型簡化為流量源，使用控制器控制吸排動作。一維管路如圖3所示，采用single-phase transient作為計算模型，時間步長為0.1 s。管路中各元件參數設置如表1所示：管路中圓管與各局部元件的壓強損失皆在理論的基礎上通過實驗修正所得，圓管內徑為2 mm，流體損耗方程為：y=2.067x+0.192 5， 圓管外徑為2.4 mm，流體損耗方程為：y=1.31x+0.192 5。接口流阻計算模型如表2所示，最后將這些模型分別添加到Flowmaster的元件庫中。

4　一維、三維耦合仿真過程與結果分析

4.1仿真過程

利用MpCCI進行雙向耦合計算時，變量先由ANSYS產生，然后再傳遞給Flowmaster。數據發生在與流場相接觸的壁面，即耦合界面。本文中數據交換的過程：MpCCI利用ANSYS計算出耦合界面上的流速，然后將流速作為邊界條件傳送給Flowmaster進行迭代計算，Flowmaster經過計算后得到耦合界面的壓強，再傳遞給ANSYS中作為下一步流場計算的邊界條件，如此反復，直到收斂為止。

4.2結果分析

在進行耦合迭代后，得到流動室流體運動剖面圖，如圖4所示。可以看出，若鞘液流速小于樣本流，樣本針流出的樣本呈現擴散趨勢，細胞不會沿軸線向上運動 ，從而造成樣本丟失，噴嘴堵塞等情況。將鞘液的流速增大到0.01 mL/s，由圖5可以看出，樣本與鞘液都處于層流狀態，相互沒有混雜。雖然樣本擴散的趨勢得到削減，但在激光聚焦區仍可能出現細胞重疊現象。 將鞘液速度繼續增加，增大為0.015 mL/s。由6可以看出當鞘液流速增大時，樣本運動呈軸線運行效果加強。

圖4　鞘液速度低于樣本速度矢量圖Fig.4 Vector diagram when sheath liquid velocity is lower than the sample velocity

圖5　鞘液流速等于樣本流速時矢量圖Fig.5 Vector diagram when sheath liquid velocity is equal to the sample velocity

圖6　鞘液大于樣本流速流動室剖面圖Fig.6 Flow chamber profi le when sheath liquid velocity is faster than the sample velocity

5　結論

本文應用Flowmaster、ANSYS分別搭建流動室子系統的一維部分和三維部分，然后通過MpCCI將兩者接口參數耦合起來 ，進行一系列不同鞘液流速下的模擬仿真。綜合仿真結果得到結論：鞘液的流速對于流動室測量有重要影響，在保證層流狀態的同時，鞘液流速大于樣本流速時，計數效果較好。

本文采用的一維、三維耦合仿真的方法目前尚沒有在醫療器械研發設計中得到應用，對于以后的系統仿真有重要的借鑒意義，同時對流動室子系統的控制有重要的指導意義。

參考文獻

[1] 羅峰, 周濤, 賈瑞宣. Flowmater軟件在AP1000啟動給水系統瞬態運行中的應用[J]. 華電技術, 2012, 34(2): 31-78.

[2] 方舉鵬, 李強, 曲普, 等. 基于Fluent的三通控制閥三維流動模擬[J].煤礦機械. 2012, 33(3): 78-79.

[3] Nobile F. Coupling strategies for the numerical simulation of blood fl ow in deformable arteries by 3D and 1D models[J]. Math Comput Model, 2008, 49(2009): 2152-2160.

[4] 王雯, 徐麗, 傅衛平, 等. 調節閥-管道-流體系統流固耦合動態特性研究[J]. 振動與沖擊, 2014, (21): 161-165

[5] 陶中蘭, 邢世錄, 李春麗, 等. SMBR內氣液兩相流三維CFD模擬[J].環境工程學報, 2014, 8(6): 2251-2256.

[6] 袁容, 林鵬智. 線性波作用下層流與紊流邊界層的數值模擬[C]//第二十一屆全國水動力學研討會暨第八屆全國水動力學術會議暨兩岸船舶與海洋工程水動力學研討會論文集, 2008: 1024.

An Emerging Simulation Method Used in System Simulation of Flow Chamber of Hematology Analyzer

【Writers】LI Zhaoxia, HAN Shaofeng, LU Dandan, ZHAO Chenglu, HUANG Ruining
Graduate School in Shenzhen, Harbin Institute of Technology, Shenzhen, 518055

【Abstract】In fl uid fl ow fi eld analysis, the common simulation method is 1-D simulation or 3-D simulation, In order to analyze blood fl uid system more quickly and accurately and choose the appropriate sample tube at the beginning of design for the system, this paper adopts a recently emerging 1D-3D simulation method to make simulations of fl ow chamber subsystem. Respectively using Flowmaster and ANSYS system modeling, use MpCCI connects the two parameter coupling, realize the sheath fl uid velocity of research. The software can meet the needs of design and analysis of the Hematology Analyzer fl uid system. In this paper, the method of co-simulation for medical apparatus and instruments of Hematology Analyzer fl uid system development provides a new method, has important signifi cance on the subsequent simulation.

【Key words】system simulation, fl ow chamber, Flowmaster, ANSYS, coupling simulation

【中圖分類號】TH776；R318.6

【文獻標志碼】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.009

文章編號：1671-7104(2016)02-0106-03

收稿日期：2015-10-29

基金項目：深圳市基礎研究資助項目(JCYJ20130329153408574，JCYJ20140417172620449)

通信作者：黃瑞寧，E-mail: huang-rn@126.com