仿真技術(shù)在微型生物顆粒采樣器設(shè)計中的應(yīng)用

馬 娜， 陳 瑋

（1.中國人民解放軍總醫(yī)院， 北京 100859； 2.軍事醫(yī)學(xué)研究院科研保障中心， 北京 100850）

0 引言

生物氣溶膠[1，2]是指懸浮于氣體介質(zhì)中粒徑在0.001～100μm 以內(nèi)的含有微生物的固態(tài)或液態(tài)小粒子形成的相對穩(wěn)定的分散體系，對氣候變化、人類健康等方面有重要影響。目前捕獲取樣技術(shù)是生物氣溶膠含量評價基礎(chǔ)，其核心部分[3]采樣器的設(shè)計和選擇是開展生物氣溶膠研究的必要工具。 本文設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)形式的用于特定試驗條件下的氣溶膠微生物顆粒采樣器， 借助計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)對采樣氣流進行動態(tài)模擬，通過對其對比分析，探究采樣器整體尺寸與所開氣孔對采樣氣體流場的影響因素， 進而指導(dǎo)解決采樣器結(jié)構(gòu)的設(shè)計問題，實現(xiàn)從產(chǎn)品概念、結(jié)構(gòu)設(shè)計全部過程計算機化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期[4]。

近年來，借助CFD 進行設(shè)計階段流體模型仿真，可在圖紙加工前分析結(jié)構(gòu)性能， 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。 本文使用的ANSYS-CFX 軟件是一款重要的CFD 軟件，通過ANSYSCFX 仿真分析可以在短時間內(nèi)模擬氣體流場變化情況，改變采樣器結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，獲得更好的結(jié)構(gòu)性能。 CFD 仿真分析流程主要包含前處理、 模型計算以及后處理等三個階段[5，6]，在前處理階段主要是利用PROE 等三維軟件對采樣器圓柱形管芯進行三維建模； 建模完成后導(dǎo)入到ANSYS 中， 利用ANSYS-CFX 仿真分析軟件構(gòu)建流體域模型并完成模型網(wǎng)格劃分， 通過分析計算找出采樣流體在速度和湍流動能分布大小方面的不同點以及滿足采樣氣體流量的外尺寸長度結(jié)構(gòu)，進行相應(yīng)改進。

1 采樣器工作原理

本文設(shè)計的微型生物顆粒采樣器是通過濾膜過濾法進行采樣，使微生物粒子阻留在濾材上[7]。 濾芯采用中空圓柱體金屬管芯，濾膜為U 形不溶性PTFE 膜，將濾膜套裝在圓柱體管芯上，進而形成柱面形過濾采樣器。

2 采樣器固體域和流體域模型的建立

本文設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)形式的微生物采樣器并進行仿真分析。 圖1 為直徑2.5mm、有效采樣長度15mm 的采樣器圓柱形管芯，圖2 為直徑4mm、有效采樣長度15mm 的采樣器圓柱形管芯，圖3 為直徑2.5mm 帶外殼采樣器，有效采樣長度15mm 的采樣器內(nèi)圓柱形管芯。 其中，圖1 和圖2 只是尺寸上的差異，圖3 濾膜外屏蔽有保護殼，只能通過前端進氣口對環(huán)境采樣，濾膜對采樣環(huán)境是隔離的。

圖1 直徑2.5mm 采樣器Fig.1 2.5mm diameter sampler

圖2 直徑4mm 采樣器Fig.2 4mm diameter sampler

圖3 直徑2.5mm 帶外殼采樣器Fig.3 2.5mm diameter samplerwith shell

2.1 模型網(wǎng)格劃分和域?qū)傩栽O(shè)置

網(wǎng)格劃分完成后，圖4 采樣器整個流道網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為193025 個，單元總數(shù)為1028377 個；圖5 采樣器整個流道網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為160188 個，單元總數(shù)為885013 個；圖6采樣器整個流道網(wǎng)格節(jié)點總數(shù)為237124 個，單元總數(shù)為1233110 個；計算基于不可壓縮的連續(xù)方程和N-S 方程，湍流計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型。 邊界條件：在進口面上根據(jù)流量給定速度條件， 采樣器入口氣流流速和試驗環(huán)境內(nèi)氣流平均流速相同，氣流速度1m/s，并假定速度垂直于進口面；出口邊界條件為自由流出。

圖4 直徑2.5mm 采樣器全流道模型Fig.4 Full-flow channel model of 2.5mm diameter sampler

圖5 直徑4mm 采樣器全流道模型Fig.5 Full-flow channel model of 4mm diameter sampler

圖6 直徑2.5mm 帶外殼采樣器全流道模型Fig.6 Full-flow channel model of 2.5mm diameter samplerwith shell

2.2 三種模型的流場對比分析

計算結(jié)果收斂之后，在ANSYS-CFX 后處理平臺CFDPOST 對流場數(shù)據(jù)進行整理和分析，采樣器分析云圖如圖7～圖9 所示。

圖7 直徑2.5mm 采樣器全流道流速分布圖Fig.7 Velocity distribution diagram of the full flow channel of a 2.5mm diameter sampler

圖8 直徑4mm 采樣器全流道流速分布圖Fig.8 Velocity distribution diagram of the full flow channel of a 4mm diameter sampler

圖9 直徑2.5mm 帶外殼采樣器全流道流速分布圖Fig.9 Velocity distribution diagram of the full flow channel of the 2.5mm diameter sampler with shell

3 結(jié)論

2.5mm 采樣器圓柱形管芯與直徑4mm 采樣器圓柱形管芯沿柱面采樣進氣孔各位置氣流速度基本一致，滿足等速采樣要求， 是一種切實可行的減小采樣器尺寸的采樣方法。

圖7～圖9 壓力云圖中顯示，直徑2.5mm 采樣器圓柱形管芯與直徑4mm 采樣器圓柱形管芯氣流參數(shù)分布較好，梯度變化小，消耗能量較少；直徑2.5mm 帶外殼采樣器進氣口端氣流參數(shù)分布較差，梯度變化大，產(chǎn)生湍流直接影響到流場基本特征，不能滿足本試驗生物氣溶膠采樣所需條件。

不帶外殼的直徑2.5mm 和4mm 采樣器圓柱形管芯可進一步改進加工工藝，優(yōu)化成型；直徑2.5mm 帶外殼采樣器需多組件成型加工，進氣端采樣流速變化明顯，采樣管柱面難以實現(xiàn)均勻流速采樣， 僅適用于要求采集樣品隔離采樣環(huán)境而對環(huán)境采樣無層流要求的場所。

4 結(jié)束語

本文以兩種結(jié)構(gòu)形式、 三種典型規(guī)格的采樣器為研究對象，以選型優(yōu)化一種結(jié)構(gòu)形式采樣器設(shè)計方向為主要目的，以計算流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以數(shù)值模擬分析方法為解決手段，通過采用三維數(shù)值模擬仿真的方法對采樣器圓柱形管芯流場的氣體流動的跡線圖、 速度與湍流動能分布情況進行了分析，進而明確了試驗環(huán)境取樣所需采樣器結(jié)構(gòu)形式，提出了改進方案，為其進一步試驗定型、篩選提供了指導(dǎo)，節(jié)省了人力、物力和時間。