一种血球仪流动室系统的联合仿真研究

【作者】李照霞，韩绍峰，路丹丹，赵呈路，黄瑞宁哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳市，518055



一种血球仪流动室系统的联合仿真研究

【作者】李照霞，韩绍峰，路丹丹，赵呈路，黄瑞宁
哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳市，518055

【摘要】在流体流场分析中，常见的仿真为单纯的一维仿真或者三维仿真，为了更加快速、准确地分析血球仪流体系统，为系统设计时选用合适的样本管，该文采用新兴的一维、三维联合仿真方法对流动室子系统进行了模拟仿真。分别用Flowmaster和ANSYS对系统进行建模，用MpCCI将两者连接起来实现参数耦合，实现对鞘液流速研究。研究满足了血球仪流体系统的设计分析需求。该文为医疗器械的流体系统开发提供了一种新方法，对后续仿真有重要的借鉴意义。

【关 键 词】系统仿真；流动室；Flowmaster；ANSYS；耦合仿真

0　引言

血球仪全称为血细胞分析仪，是用来测量单位容积中的红细胞、白细胞、血小板及血红细胞等参数的仪器，在医院得到广泛应用。但从国内市场来看，医院使用的血细胞分析仪90%引进国外，价格昂贵，与此同时我国医疗器械还处于开发阶段，本文课题就是在这样一个大的背景下针对流体系统提出的。流体系统作为血细胞分析仪最重要的组成部分，对流动室系统进行仿真分析有重要意义。

随着模拟仿真技术的发展，国内外许多研究人员选择利用仿真技术完成流体系统设计与优化，例如：针对AP1000启动给水系统，罗峰等[1]利用Flowmaster开展瞬态分析，提出用安装蓄压箱的方法来减少流量的波动；方举鹏等[2]针对三通阀利用Fluent进行数值模拟分析，得到压力场、温度场的流态三维分布情况；Nobile F等[3]建立血液三维控制方程和简化的一维神经网络控制方程，以接触面上流量和压力为求解目标进行耦合计算；王雯等[4]利用ANSYS软件对系统在固定开度与变开度情况及流开型和流闭型情况下的振动响应进行了定性分析。

目前一维流体计算与三维CFD(Computational Fluid Dynamics）[5]技术是流体分析中最常用的两种方法。然而这两种方法都有各自的缺点，无法对流体系统进行完全有效的整体分析。因此，本文拟采用一维和三维耦合仿真的方法对流动室子系统进行研究。该方法一方面可以满足获取系统中各个支路的压力和流量的实时变化，另一方面可以实现具体元件的流场分析。通过对本文耦合仿真平台进行实验测试，以及对结果进行分析，验证了该方法的有效性。

1　流动室物理模型分析

流动室子系统模型如图1所示。

DIFF池为经过处理的血样，当阀11通电后，鞘液注射器开始吸液，使阀21与阀11间充满定量血样，阀11断电，注射器停止吸液。然后阀12、阀13、阀19通电，同时鞘液注射器SH和样本注射器SP排液，样本经过样本针进入流动室，同时在鞘液的包裹下流过激光区，利用鞘流原理完成血红蛋白检测技术，废液经过阀19排入DIFF池中。如何进行血红蛋白计数在此不作说明，本文重点关注流体的运动状态[6]。

图1　流动室子系统模型Fig.1 The model of fl ow chamber subsystem

2　三维流动室建模

本文先用Pro/E wildfire 4.0进行物理建模，然后在ANSYS 12.0 workbench中进行分析计算。Pro/E物理模型与划分网格后的模型分别如图2所示，并在喷嘴进行局部加密处理。

图2　流动室的Pro/E模型与网格模型Fig.2 Pro/E and gridding model of fl ow chamber

表1　一维管路中各元件参数Tab.1 Parameters of 1-D pipeline

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

图3　一维管路Fig.3 1-D pipeline

流动室流体采用Laminar计算模型。边界条件设置为“样本入口”： Mass fl ow rate：0.01 mL/s，“稀释液入口”： Mass fl ow rate：0.005 mL/s，样本流速度已知，且鞘液初始速度小于样本速度。

3　一维管路设计

根据实际模型，我们将注射器模型简化为流量源，使用控制器控制吸排动作。一维管路如图3所示，采用single-phase transient作为计算模型，时间步长为0.1 s。管路中各元件参数设置如表1所示：管路中圆管与各局部元件的压强损失皆在理论的基础上通过实验修正所得，圆管内径为2 mm，流体损耗方程为：y=2.067x+0.192 5， 圆管外径为2.4 mm，流体损耗方程为：y=1.31x+0.192 5。接口流阻计算模型如表2所示，最后将这些模型分别添加到Flowmaster的元件库中。

4　一维、三维耦合仿真过程与结果分析

4.1仿真过程

利用MpCCI进行双向耦合计算时，变量先由ANSYS产生，然后再传递给Flowmaster。数据发生在与流场相接触的壁面，即耦合界面。本文中数据交换的过程：MpCCI利用ANSYS计算出耦合界面上的流速，然后将流速作为边界条件传送给Flowmaster进行迭代计算，Flowmaster经过计算后得到耦合界面的压强，再传递给ANSYS中作为下一步流场计算的边界条件，如此反复，直到收敛为止。

4.2结果分析

在进行耦合迭代后，得到流动室流体运动剖面图，如图4所示。可以看出，若鞘液流速小于样本流，样本针流出的样本呈现扩散趋势，细胞不会沿轴线向上运动 ，从而造成样本丢失，喷嘴堵塞等情况。将鞘液的流速增大到0.01 mL/s，由图5可以看出，样本与鞘液都处于层流状态，相互没有混杂。虽然样本扩散的趋势得到削减，但在激光聚焦区仍可能出现细胞重叠现象。 将鞘液速度继续增加，增大为0.015 mL/s。由6可以看出当鞘液流速增大时，样本运动呈轴线运行效果加强。

图4　鞘液速度低于样本速度矢量图Fig.4 Vector diagram when sheath liquid velocity is lower than the sample velocity

图5　鞘液流速等于样本流速时矢量图Fig.5 Vector diagram when sheath liquid velocity is equal to the sample velocity

图6　鞘液大于样本流速流动室剖面图Fig.6 Flow chamber profi le when sheath liquid velocity is faster than the sample velocity

5　结论

本文应用Flowmaster、ANSYS分别搭建流动室子系统的一维部分和三维部分，然后通过MpCCI将两者接口参数耦合起来 ，进行一系列不同鞘液流速下的模拟仿真。综合仿真结果得到结论：鞘液的流速对于流动室测量有重要影响，在保证层流状态的同时，鞘液流速大于样本流速时，计数效果较好。

本文采用的一维、三维耦合仿真的方法目前尚没有在医疗器械研发设计中得到应用，对于以后的系统仿真有重要的借鉴意义，同时对流动室子系统的控制有重要的指导意义。

参考文献

[1] 罗峰, 周涛, 贾瑞宣. Flowmater软件在AP1000启动给水系统瞬态运行中的应用[J]. 华电技术, 2012, 34(2): 31-78.

[2] 方举鹏, 李强, 曲普, 等. 基于Fluent的三通控制阀三维流动模拟[J].煤矿机械. 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, 徐丽, 傅卫平, 等. 调节阀-管道-流体系统流固耦合动态特性研究[J]. 振动与冲击, 2014, (21): 161-165

[5] 陶中兰, 邢世录, 李春丽, 等. SMBR内气液两相流三维CFD模拟[J].环境工程学报, 2014, 8(6): 2251-2256.

[6] 袁容, 林鹏智. 线性波作用下层流与紊流边界层的数值模拟[C]//第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学术会议暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会论文集, 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

【中图分类号】TH776；R318.6

【文献标志码】A

doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2016.02.009

文章编号：1671-7104(2016)02-0106-03

收稿日期：2015-10-29

基金项目：深圳市基础研究资助项目(JCYJ20130329153408574，JCYJ20140417172620449)

通信作者：黄瑞宁，E-mail: huang-rn@126.com