一种防回血逆向阻流器的设计

吴梅，谭平，陈德政，陶静

1.简阳市人民医院 肾内科，四川 简阳641400；2.四川理工学院，四川 自贡643000；3.过程装备与控制工程四川省高校 重点实验室，四川 自贡 643000

一种防回血逆向阻流器的设计

吴梅1，谭平1，陈德政1，陶静2,3

1.简阳市人民医院 肾内科，四川 简阳641400；2.四川理工学院，四川 自贡643000；3.过程装备与控制工程四川省高校 重点实验室，四川 自贡 643000

本文阐述了一种主要由防回流管和锥形浮体组成的逆向阻流器的设计过程，并采用FLUENT软件模拟了输液管中出现血液回流时逆向阻流器中的流场。模拟计算结果显示，逆向阻流器中的压力场分布有利于浮体的移动，当浮体的密度与流体的密度一致时，流体对浮体的轴向作用力能够推动浮体移动并贴紧输液管内壁，从而达阻流目的。模拟结果表明，该装置可应用于输液器中，防止血液回流。

逆向阻流器；浮体移动；FLUENT软件；血液回流

输液是临床上一种常用的治疗方法[1-2]，一般采用重力输液器进行药液输送。在整个输液过程中，输液器内的压力应该比血管内的压力高，这样才能保证药液顺流进入体内。但是，在输液过程中，患者血管内的压力不是恒定的，在某些情况下可能超过输液器内的压力，例如，给患者测量血压时，静脉通路与血压计袖带同在一上肢，由于压力作用，血液回流受阻，进而使得上肢血管内压力增大；患者肌肉紧张引起血管收缩，致使血管内压力增大等。当血管内压力高于输液器内压力时，静脉血就会通过针头回流到输液管内，甚至到达莫非滴管内。血液进入输液管后往往会形成微小的凝血块，易造成针孔堵塞，使得输液需重新进行穿刺，给患者带来痛苦，如果凝血块随药液进入患者体内，还可能形成血栓[3-4]。所以，输液工作者一直想要解决输液过程中的血液回流问题。基于此，本研究设计了一种逆向阻流器，并对其防血液回流性能进行了研究分析，旨在解决输液过程中的血液回流问题。

1 逆向阻流器结构设计

该逆向阻流器主要由防回流管和锥形浮体组成（图1），主要应用于头皮针与输液软管之间，以防止血液回流。锥形浮体表面设有两排触角，可保证锥形浮体位于防回流管中央；锥形浮体底部设有数根触角，可防止药液顺流时下游出口被堵住；锥形浮体密度近似于药液密度，使得浮体能够悬浮于药液内。

输液正常时，药液以速度U进入防回流管，并推动锥形浮体左移，经由浮体与防回流管管壁之间的流道，以速度U流出防回流管。当血管内压力高于输液器内压力时，血液将回流进入输液管，此时，药液则从左侧进入防回流管，并推动浮体右移，直至浮体贴紧右侧输液管内壁形成密封，达到阻止血液回流的目的。这种锥面密封方法在机械密封领域的应用十分广泛[5-8]，密封效果显著。

图1 逆向阻流器结构设计示意图

2 逆向阻流器流场分析

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是产品设计的重要辅助手段，不但可以降低设计成本，还可以缩短设计周期。为了了解逆向阻流器中的流场，并以此评估其逆向阻流效果，本研究采用FLUENT软件仿真药液回流时逆向阻流器中的流场。

2.1 计算参数

逆向阻流器的几何参数，见表1。在输液过程中，当血管内压力高于输液器内压力时，就会出现血液回流现象。为了使分析结果更具有普遍性，本研究在0.1～1 m/s的流速范围内分析逆向阻流器的逆向阻流效果。

表1 基于软件与IAEA 277绝对剂量比较

2.2 计算模型

逆向阻流器为轴对称结构，可简化为二维流场问题。由于其锥形浮体密度近似于药液密度，所以锥形浮体的自重与其排开的药液重量相当。根据加减平衡力系公理，可忽略重力与浮力对浮体的作用。药液则由液态水来代替。逆向阻流器中的流道网格，见图2。

图2 逆向阻流器流道网格

流场分布采用稳态求解器进行计算，流体的流动过程采用标准的k-ε模型模拟[9-10]。k-ε模型模拟是由Launder和Spalding于1972年提出的[11-12]。模型中的ε定义为：

则湍动粘度μt可表示为k和ε的函数，即：

因此，标准k-ε模型的输运方程为：

其中：

式中：ρ为密度；u为流速；μ为流体动力粘度；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数，分别取值为1.44、1.92、0.09；σk、σε分别为湍动能k和湍动耗散率ε对应的普朗特数，分别取值为1.0和1.3；Prt为湍动普朗特数，取值为0.85；gi为重力加速度在i方向上的分量；β为热膨胀系数；Mt为湍动马赫数；a为声速；Sk、Sε为FLUNET中用户定义的源项。

3 计算结果及分析

当回流速度为0.1 m/s，出口压力设定为0 Pa时，逆向阻流器中的流场分布见图3～4。在锥形浮体顶部、底部两处，流道狭小，流速极大，最大流速达到回流速度的5.6倍。在锥形浮体底面附近区域的流速较小，为高压区（200 Pa左右）。由于流道有台阶形边界，在图示两个区域内产生了漩涡，值得关注的是，在浮体前端的漩涡区域为负压。也就是说，锥形浮体底面为高压区，前面为负压区，非常有利于浮体的右移运动。

图3 逆向阻流器内的速度场（m/s）

图4 逆向阻流器内的压力场（Pa）

在流体流动过程中，监测到流体在锥形浮体表面的轴向作用力系数CD为0.575。根据公式(6)，可以计算出二维模型中流体对锥形浮体的轴向作用力[13]。

式中：ρr为流体密度，U为绕流流速，A为参考面积。各参数的值取FLUENT中的默认参考值：ρr=1.225 kg/m3，U=1 m/s，A=1 m2。

此问题为轴对称问题，考虑锥形浮体底面面积为1.9625×10-5m2，可计算出流体对锥形浮体的轴向作用力FD=6.92×10-6N。以水的密度（998 kg/m3）计算锥形浮体重力G为1.497×10-3N，则流体对锥形浮体的轴向作用力约为浮体重力的0.5%。按照牛顿第二定律可得此瞬时浮体的运动加速度约为0.045 m/s2。

由此可见，当回流速度为0.1 m/s时，如果去除了重力与浮力的影响，流体流动对锥形浮体产生的轴向作用力可以推动浮体右移，并与管道内壁贴紧形成密封，从而达到防回流的目的。

随着回流速度的升高，流体对锥形浮体的轴向作用力也随之增大（图5）。通过最小二乘法进行曲线拟合[14-16]，可得作用力FD与回流速度v0的关系式为：

由式(7)可知，FD与v0呈二次抛物线关系，随着回流速度的升高，FD也逐渐增大。总体来说，流体对锥形浮体的轴向作用力是微小的。当回流速度为0.1 m/s时，此作用力仅为浮体重力的0.5%；当流速增大到1 m/s时，此作用力也才达到浮体重力的35%。所以，锥形浮体密度近似于药液密度是非常重要的，否则，流体流动所产生的作用力将因为相对重力和浮力微小而被忽略，从而使得逆向阻流器无法达到逆向阻流的目的。

图5FD/G随回流速度的变化曲线

4 结论

通过FLUENT软件的仿真计算，可以得出如下结论。

（1）浮体采用锥形体是合理的。流体流动时，在锥形体底面形成高压区，在锥形体顶面由于漩涡而形成负压区。浮体位于此压力场中，会形成前吸后推的现象，有利于浮体的移动。

（2）流体对锥形浮体的轴向作用力是微小的，即使相对于浮体的重力也是很小的。所以，要以此作用力作为浮体移动的动力，则需去除重力和浮力的影响，即要求浮体的密度与液体的密度一致。

（3）将该逆向阻流器应用于输液器中，能够有效解决输液过程中可能出现的血液回流问题。此外，该逆向阻流器也适用于解决与输液血液回流类似的工程问题。

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Design of a Blood-Return-Control Infusion Set with Floating Sluices

WU Mei1, TAN Ping1, CHEN De-zheng1, TAO Jing2,3
1. Department of Nephrology, Jianyang People’s Hospital, Jianyang Sichuan 641400, China; 2. Sichuan University of Science & Engineering, Zigong Sichuan 643000, China; 3. Key Lab. in Sichuan Colleges on Industry Process Equipment and Control Engineering, Zigong Sichuan 643000, China

The paper describes the process of designing the blood-return-control infusion set with fl oating sluices. The fl ow fi eld, which is formed during blood-return in a backwards fl ow breaker, is simulated with the FLUENT software. The result shows that the pressure fi eld is in favor of the movement of the fl oating body in the backfl ow preventer. The axial force of fl uid can make the fl oating body move and compact the internal face of the infusion tube. The gravity and buoyancy can be ignored since the density of the fl oating body is the same with the fl uid in the infusion tube. Therefore, the blood backfl ow can be eliminated by a vein transfusion device with a backwards fl ow breaker. Moreover, the backwards fl ow breaker can be used in many projects which are similar to the intravenous transfusion.

infusion set with fl oating sluices; the fl oating body movement; FLUENT software; blood backfl ow

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.01.010

1674-1633(2016)01-0042-03

2015-09-14

四川省高校重点实验室开放基金项目资助（GK201304，GK201201）。

本文作者：吴梅，主管护师。

作者邮箱：panggg555@163.com