基于CFD的主动式干粉吸入器流场分析与结构参数优化

【摘要】肺部吸入给药方式是通过特殊的给药装置将药物颗粒传递到肺部，从而产生局部或全身治疗的作用。给药装置的选择是影响药物在肺部有效沉积的重要因素，干粉吸入器由于其便携、无污染等特点将成为肺部吸入给药装置的主流。理想干粉吸入器一个重要特点就是不依赖患者的吸气而在装置内部产生湍流，使得药物颗粒分散和解聚，且在低吸气速率下就能有高的肺部沉积率。本文采用实验分析与数值模拟相结合的方法。使用NGI对现有产品SpinhalerTM在不同吸气速率下的肺吸入效率进行体外测定，观察不同速率下药物颗粒在不同部位的沉积比例，发现吸气速率对其肺吸入效率及装置的排空率影响很大。基于CFD的基本原理，在AnsysWorkbench平台上，使用FLUENT结合DesignExploration的方法，对SpinhalerTM内部风扇流场进行了响应面优化设计分析，建立了风扇转动与吸气速率的数值关系。基于主动式给药的方法，提出了两种影响给药装置性能的结构参数，基于CFD对不同结构参数下的流场进行分析，分析结构参数的变化对包括速度、湍动能和颗粒运动轨迹等在内的流场特性的影响，发现栅格可以有效的降低湍流强度且对气流有导向作用，出口区长度的增加可以降低气流速度。最后采用正交实验的方法对不同结构参数的装置模型在不同吸气速率下进行肺吸入效率的体外测定，寻找最优的结构参数方案，发现出口区长度25mm，栅格孔数为16，在30L/min的吸气速率下，装置的各方面性能达到最优。最终使改进后的装置在低吸气速率下也有着较高的装置排空率和肺部沉积率，克服了原有装置的不足，使其适用人群更广。
【作者】曹智臣；
【导师】李浩莹；石世宏；
【作者基本信息】苏州大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】干粉吸入器；CFD；数值模拟；结构参数优化；体外分析；

【参考文献】
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