一種醫用射流霧化器工作原理的仿真與分析

黃世帆, 周茂瑛，2，, 傅 陽, 王利明

(1.杭州電子科技大學 機械工程學院， 浙江 杭州 310018； 2.電子科技大學 機械與電氣工程學院， 四川 成都 611731；3.浙江海圣醫療器械股份有限公司, 浙江 紹興 312071； 4.浙江科技學院 機械與能源工程學院， 浙江 杭州 310012)

引言

霧化吸入是臨床上常用的一種介入手段。對于氣管切開需要輔助機械通氣的患者，霧化器產生的潮濕空氣，可以幫助濕化患者的氣道，防止痰液淤積，避免呼吸機相關性肺炎的發生[1]。對于慢性呼吸道疾病患者，霧化器可形成含藥物的微細氣溶膠，經由呼吸道直接吸入，到達指定病灶并被人體吸收，提高藥物的作用效率[2]。目前臨床實踐和日常生活中常用的霧化器包括射流霧化器、超聲霧化器和振動網篩霧化器等[3]，其中射流霧化器結構簡單，成本低廉，效率較高，是家用霧化給藥的普遍選擇。

射流霧化器一般基于壓縮空氣進行工作。壓縮空氣流經收縮管道時在文丘里效應作用下在噴口處形成高速低壓剪切流。藥液在噴口處高速氣流混合并在剪切力的作用下破碎成細小液滴，最終與空氣流均勻混合形成氣溶膠。整個霧化過程涉及到非穩態的內流動多相傳質傳熱問題，目前仍未得到有效的研究[4]。一方面，液體在高速氣流中的霧化機理仍未完全厘清。盡管液膜[5]，液絲[6]和大液滴[7]的破碎霧化機理已經獲得了初步的研究，但針對特定的霧化噴嘴結構，如何表征溫度、藥液成分與物性、以及氣流速度與壓力等關鍵因素對最大霧化率和氣溶膠產物粒徑參數等的影響，仍然是一個難題[8]。目前的通行做法是通過大量的參數化實驗進行測量，成本非常高，而且由于霧化產物尺寸極小，實驗測量精度不高。另一方面，受到觀測和測量手段的限制，很難通過直接實驗分析對霧化器的霧化過程進行有效的記錄和分析。GEERTSEN等[9]采用不同的測量手段分析了不同噴嘴的外流動霧化效果，分析了系統參數對霧化產物的特性的影響。但由于霧化噴嘴在工作時處于霧化器結構的內部，其霧化效果無法直接觀測。

針對這些理論和實驗中遇到的問題，可以借助計算機仿真來研究霧化過程中的傳熱和傳質現象，從而指導霧化器的結構設計和優化。LELONG等[10]利用仿真方法研究了上風道式霧化器的霧化過程和霧化產物參數，但仿真結果與實驗數據差距較大。GE等[11]對射流沖擊霧化器的工作過程進行了軸對稱仿真分析，獲得了幾何參數對霧化產物特性的影響。這些仿真研究為霧化器的設計提供了一定的參考，但具體到本研究所涉及到的新型霧化器結構，尚無數值仿真結果供參考。

因此，本研究結合射流霧化器的結構方案和工作流程，分析霧化器工作過程中所涉及到的物理過程，借助于Fluent多相流仿真分析軟件，對霧化過程展開計算流體力學仿真研究，分析藥液在高速氣流作用下破碎產生細小液滴的過程，為霧化器的結構設計和優化提供理論指導，對霧化器在醫療領域的應用和發展具有一定的意義。

1 霧化器的總體結構

射流霧化器的結構如圖1所示。一個典型的商用霧化器如圖1a所示。本研究所涉及的霧化器由藥杯、支撐板和隔板等組成，圖1b所示。

圖1 霧化器的總體結構

在實際使用過程中，霧化器需要配合壓縮機和呼吸接口等使用。壓縮機產生壓縮空氣，并以一定的氣流壓力和流量供給霧化器使用。霧化器產生的含微細藥物顆粒或水滴的氣溶膠經由呼吸面罩或者咬嘴供給患者使用。支撐板和藥杯之間形成的毛細狹縫是霧化器正常工作的關鍵之一。一方面，該毛細狹縫能夠保證藥液形成一定厚度的薄膜，便于后續在高速氣流下的霧化。另一方面，支撐板一般還需要實現對隔板的支撐，并為噴出的微細液滴提供空間，且不對微細液滴的噴出造成阻礙。此外，藥杯中還有一個供壓縮空氣進入的收縮管。其幾何結構使得壓縮空氣在到達噴口時能夠獲得合適的壓力和速度，從而保證霧化過程的順利進行。

2 霧化器的工作過程

當藥液注入到藥杯中之后，啟動壓縮機提供壓縮空氣，此時霧化器的基本工作過程可以分為三個階段：毛細上升、噴口霧化和氣溶膠排出等，如圖2所示。

圖2 霧化器的工作過程

2.1 毛細上升階段

在霧化器結構中，毛細狹縫由兩組錐面形成，寬度固定，一般約為0.2 mm。在毛細上升階段，藥液受到黏性力、慣性力、重力、毛細力和進出口處空氣壓力等的影響[10]，在由2組錐面形成毛細狹縫中不斷上升，并經由毛細狹縫出口以一定速度噴出到噴口附近，如圖3所示。我們將此階段命名為“毛細上升”主要是強調此時藥液在毛細狹縫中運動。此階段藥液上升和噴出的主要驅動力應該是噴口處和自由液面處的空氣壓力差。

圖3 毛細上升階段示意圖

藥液到達噴口后以一定的速度沿著狹縫橫向噴出，遇到經由收縮管噴出的壓縮空氣，在高速剪切作用下破碎成細小液滴。達到穩定霧化狀態時，噴口處的壓力po可以認為是一個定值，而噴口處藥液的速度也是穩定的。對藥液應用伯努利方程有:

(1)

式中,pa—— 藥杯中藥液自由面處的壓力

ρd—— 藥液的密度

Vd—— 藥液在噴口處的速度

hγ—— 與毛細力有關的水頭損失

h—— 藥液面的上升高度

g—— 重力加速度

需要注意的是，由于藥液自由面的面積很大，在霧化過程中液面的高度改變非常緩慢，因此可以近似認定藥液自由面的處的藥液速度為0。

設壓縮空氣進入收縮管時的壓力與流速分別為pi和Vi，依據伯努利方程有：

(2)

式中，ρa表示空氣的密度。假定收縮管入口和出口處的直徑分別為di和do，依據質量守恒有

(3)

2.2 噴口霧化階段

藥液在毛細狹縫中受毛細力和負壓等的作用上升并最終到達噴口時，流速比較低。噴口處的高速壓縮空氣與低速藥液相遇，使得藥液在高速剪切的作用下發生多種形式的流動失穩，破碎為大小不一的液滴，如圖2b所示。這一液滴破碎過程決定了霧化產物的特性，包括氣溶膠粒徑分布、平均粒徑、混合效率和霧化率等。在高速剪切氣流中，藥液破碎為液滴的主要機理為液膜的失穩破碎，即沿著液膜—液絲—液滴的流程逐漸演變[11]，或者所謂的初級霧化[12]和次級霧化[13]。

2.3 撞擊回流和氣溶膠噴出階段

如前所述，藥液在噴口處的高速氣流作用下破碎成大小不一的液滴后，會隨著高速氣流繼續運動和演化，如圖2c所示。在這一過程中，液滴會在毛細力、氣動力、重力和慣性力等的作用下產生變形和轉動[14]，并可能在巨大變形下進一步破碎[15]為更小的液滴。此外，液滴會通過蒸發和凝結與周圍環境產生物質交換[16]。一般而言，考慮到霧化過程所涉及到的時間尺度一般為ms級別，且霧化器工作環境中的溫度梯度較小，在此過程中發生的物質交換可以忽略。

液滴在隨氣流運動演化的過程中會與隔板發生碰撞，從而影響其接下來的路徑。對于粒徑較大的液滴而言，其動力學演化受重力和空氣黏性阻力主導，在撞擊后會改變運動方向，重新回到藥杯中。小液滴在撞擊后仍然受到高速氣流的影響并與氣流不斷混合，從而能夠最終到達氣溶膠收集管路。更小的液滴有可能在撞擊后受到毛細力的作用而停留在隔板上，并最終通過液滴融合形成更大的液滴而在重力作用下掉回到藥杯中。

經過隔板碰撞篩選后的液滴通常粒徑處于某一特定范圍。這些液滴在隨著高速氣流運動的過程中本身的粒徑也會發生變化。這一過程伴隨著液滴與氣流的不斷混合和相互作用。最終，含藥液顆粒的氣溶膠會到達收集區域并隨著使用者的呼吸活動進入體內。

3 霧化過程的多相流仿真分析

結合以上分析可知，霧化器的實際工作的每一個階段都涉及到復雜的物理過程，很難以簡單的函數關系來描述霧化的實際效果與霧化器的各項參數之間的關系，甚至霧化的核心過程都沒有辦法有效地進行實驗觀測。這就使得數值仿真成為了解和分析霧化過程，并在后續的設計中優化霧化器的結構的重要手段。目前已經有許多研究利用數值仿真手段對液滴的形成和運動過程分析。相關的分析已經成功在氣泡形成[19-20]、氣液兩相耦合[21-22]、液滴產生[23]、燃燒[24]和大氣污染物的擴散分析[25]中獲得應用。但他們主要研究高速液體在周遭環境氣體中的破碎，與霧化器中的實際工況不同。而且以往的仿真很少考慮氣體和液體流速之間的巨大差別，對液滴形成過程中所涉及到的多尺度過程也沒有進行有效描述。

3.1 基于流體體積法的二相流建模

為此，本研究擬采用多相流仿真的方法，充分考慮霧化過程中所涉及到的多尺度物理現象，針對噴口霧化階段進行仿真分析。由于整個霧化過程涉及到分散流和自由表面流動等多種復雜的流體仿真過程，而且涉及到流體微細顆粒與固體之間的碰撞，完整的三維多物理場仿真需要消耗大量的計算資源。因此，本研究針對噴口霧化過程進行了適當的簡化，運用二維的軸對稱模型對該物理過程進行了建模，并聚焦于噴口霧化所涉及到的高速氣流和低速藥液流動。

利用流體體積法將氣液兩相流動過程用單一的動量方程來描述：

(4)

ρ—— 密度

p—— 壓力

μ—— 動力黏度

Fs—— 與毛細力相關的源項

g—— 重力加速度

所研究的流場中給定位置的網格中液體的體積含量用一個新的物理量F來表示。

(5)

而方程(4)中的物理參數表示為：

(6)

其中，ρf，μf和ρa，μa分別對應于流體和氣體的密度，動力黏度。

3.2 二相流動幾何模型與網格

依前所述，本研究重點關注噴口附近的霧化過程。在進行幾何建模時，我們對霧化器的整體結構進行簡化。首先，實際的霧化器在支撐板與隔板之間設有非軸對稱的支撐結構，以保證噴口處霧化產生的微細液滴能夠隨著壓縮空氣排出。本研究在進行幾何建模時不考慮該支撐結構，將霧化器結構視為軸對稱的，對稱軸如圖1b所示。考慮到藥杯較大，其中液面改變很緩慢，在仿真所需的時間內可以認為是不變的。我們在幾何建模中去掉了包含初始液位的藥杯部分，利用等效原理直接設定藥液的注入速度。此外，為進一步減少不必要的計算消耗，在仿真中只考慮霧化出口處的部分空間，最終所選定的仿真區域為圖1b所示的紅色虛線框內部分，在軸對稱假設下其幾何結構如圖4a所示。這些結構簡化不可避免地在后續的仿真中引入誤差。但是考慮到全尺寸三維仿真所需要的時間和計算資源[10]，本研究所采用的結構簡化能夠明確藥液霧化的基本物理過程，并能夠幫助確定后續的全尺寸三維仿真中所需要使用的仿真參數。需要注意的是，考慮到ANSYS軟件中對稱軸默認在水平方向，在圖4的仿真建模中將圖1b所示的霧化器結構逆時針旋轉了90°。考慮到噴口附近是霧化發生的核心區域，涉及到微米級液滴的產生，需要非常細密的網格，我們劃定此區域的網格尺寸最大為4 μm。而其他的如氣流入口、藥液入口和氣溶膠出口區域的流動狀態主要是單相流，因此選定這些區域的網格尺寸最大為50 μm。由此得到的網格劃分情況如圖4b所示。

圖4 噴口霧化的仿真模型

3.3 流動模型與邊界條件

由于藥液的流速和壓縮空氣的流速之間存在較大差別，因此在藥液霧化過程中需要考慮湍流模型。經過篩選，選擇了剪切應力輸運的雷諾平均模型(RANS-SST)。此外，我們設定壓縮空氣的進口壓力為0.6 MPa。藥液的進口平均速度為0.2 m/s。氣溶膠出口的給定壓力為0.1 MPa。為在有限的計算資源下獲得計算過程的收斂性，我們選定了瞬態計算的時間步長范圍。設定Courant數為2，根據給定的網格，所需要的時間步長在1 ns到100 ns之間[25]。在計算過程中，在霧化發生時，變步長求解器選擇的時間步長約在5～9 ns，基本符合我們的預期。

4 結果與分析

針對霧化器實際工作過程的物理復雜性，我們通過一系列的仿真分析獲得了系統的參數特定，并且具體針對霧化過程進行了定性分析。

4.1 穩態氣體壓力分析

如前所述，霧化器中藥液是在毛細力和負壓的共同作用下從藥杯沿毛細狹縫到達噴口處。為分析這一點，我們不在藥杯中添加藥液，并將原來針對藥液的進口邊界條件改成出口壓力邊界條件，壓力值設定為0.1 MPa，如圖5所示。

圖5 霧化器的邊界條件設置

針對這一工況，進行了穩態分析，獲得了整個區域內的氣體流動狀態。圖6和圖7分別展示了僅有壓縮氣體流時霧化器內流場的壓力云圖和流線圖。首先從壓力云圖可以看出，盡管壓縮空氣在進口處的壓力設定為0.6 MPa，但是在流過收縮管時，其氣體壓力會迅速減小。氣流到達噴口處，實際的氣體壓力約為0.097 MPa，小于藥液入口處設定的壓力(0.1 MPa)。因此，在噴口出會形成負壓，使得藥杯中的藥液在虹吸作用下緩慢的沿著毛細狹縫到達噴口。這一效果也可以籍由圖7看出。由于霧化器中流道的幾何特征，速度流線基本是沿著氣流的進出方向分布，但是在藥液上方區域和噴口區域各自存在一個回流區，使得氣流在局部范圍內循環流動，形成低壓區。

圖6 穩態氣流下霧化器中的流場壓力分布

圖7 穩態氣流下霧化器中的流場流線分布

4.2 藥液的動態霧化分析

基于穩態分析結果，確認了藥液的毛細上升階段的基本特征，即由于氣流在流經收縮管之后產生了低壓區，使得藥液在負壓作用下沿毛細管流動。因此，根據實際藥液的霧化流量，可以在動態霧化分析中，將藥液的進口條件設定為速度入口條件，即設定藥液在入口處的平均速度(此處經過計算，可以設定進口速度為0.2 m/s)。此時，經過計算，霧化過程中的藥液體積分數云圖如圖8所示，其中圖8i)的具體VOF云圖如圖8所示。

圖8 霧化過程

根據圖8所示的云圖，我們可以將藥液霧化的過程定性描述如下：首先，藥液在負壓作用下經由毛細狹縫以較低速度到達噴口。其次，在噴口處，氣流速度遠大于藥液速度，使得藥液薄膜(此處稱薄膜因為毛細狹縫的厚度約0.2 mm，藥液到達噴口出時會形成環形液膜，其厚度可認為是0.2 mm)在剪切作用下變形拉長(如圖8e所示)，并最終在毛細力作用下破碎為細小的液滴(如圖8h所示)。從仿真的結果可以看出，該過程所產生的液滴的基本尺寸為8～15 μm。這與市售產品的尺寸范圍基本吻合。注意到該仿真主要針對噴口霧化過程進行分析，所獲得液滴尺寸不能代表該霧化器結構最終能產生的霧化產物的基本尺寸。此外，本仿真數據無法獲知具體的藥液液滴尺寸分布，也無法獲得藥液液滴在產生后與隔板之間可能發生的碰撞及之后在氣流中的進一步演化。

這些不足主要與采用的仿真模型有關。一方面，目前的仿真模型是軸對稱模型，從根本上假定整個流場和霧化過程是軸對稱的，這與實際霧化過程不相符。另一方面，受到計算能力限制，目前的幾何模型與實際霧化器的結合模型有所差別，所采用的網格劃分尺寸限制也在機理上限定了所能獲得的液滴基本尺寸。此外，由于霧化過程涉及到非常復雜的傳質傳熱過程，需要在物理模型里面考慮空氣的傳熱性質以及可壓縮性。

5 結論

本研究針對醫用霧化器的工作過程進行研究，首先根據物理過程將霧化器的工作過程劃分為毛細上升、噴口霧化以及碰撞回流和氣溶膠噴出三個階段，并描述了各個階段的基本特性；然后根據穩態仿真結果分析了噴口附近負壓的形成過程和基本原理，確認了藥液在毛細力和負壓作用下沿毛細狹縫運動的基本過程；最后依據穩態仿真結果設定合適的邊界條件，獲得了噴口霧化的時序過程，并確定了霧化的基本步驟。

圖9 霧化過程i)時刻的VoF云圖

這些仿真解釋了與霧化器相關的基本物理過程，對霧化器的結構設計具有指導作用，也為進一步實現霧化器的結構和性能優化奠定了理論基礎，對于醫用霧化器的及其輔助系統的智慧化發展提供了理論指引，為應用于其他領域的霧化器的設計提供參考。