仿真技术在微型生物颗粒采样器设计中的应用

马 娜， 陈 玮

（1.中国人民解放军总医院， 北京 100859； 2.军事医学研究院科研保障中心， 北京 100850）

0 引言

生物气溶胶[1，2]是指悬浮于气体介质中粒径在0.001～100μm 以内的含有微生物的固态或液态小粒子形成的相对稳定的分散体系，对气候变化、人类健康等方面有重要影响。目前捕获取样技术是生物气溶胶含量评价基础，其核心部分[3]采样器的设计和选择是开展生物气溶胶研究的必要工具。 本文设计了两种结构形式的用于特定试验条件下的气溶胶微生物颗粒采样器， 借助计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）技术对采样气流进行动态模拟，通过对其对比分析，探究采样器整体尺寸与所开气孔对采样气体流场的影响因素， 进而指导解决采样器结构的设计问题，实现从产品概念、结构设计全部过程计算机化，缩短产品开发周期[4]。

近年来，借助CFD 进行设计阶段流体模型仿真，可在图纸加工前分析结构性能， 优化结构设计。 本文使用的ANSYS-CFX 软件是一款重要的CFD 软件，通过ANSYSCFX 仿真分析可以在短时间内模拟气体流场变化情况，改变采样器结构设计参数，获得更好的结构性能。 CFD 仿真分析流程主要包含前处理、 模型计算以及后处理等三个阶段[5，6]，在前处理阶段主要是利用PROE 等三维软件对采样器圆柱形管芯进行三维建模； 建模完成后导入到ANSYS 中， 利用ANSYS-CFX 仿真分析软件构建流体域模型并完成模型网格划分， 通过分析计算找出采样流体在速度和湍流动能分布大小方面的不同点以及满足采样气体流量的外尺寸长度结构，进行相应改进。

1 采样器工作原理

本文设计的微型生物颗粒采样器是通过滤膜过滤法进行采样，使微生物粒子阻留在滤材上[7]。 滤芯采用中空圆柱体金属管芯，滤膜为U 形不溶性PTFE 膜，将滤膜套装在圆柱体管芯上，进而形成柱面形过滤采样器。

2 采样器固体域和流体域模型的建立

本文设计了两种结构形式的微生物采样器并进行仿真分析。 图1 为直径2.5mm、有效采样长度15mm 的采样器圆柱形管芯，图2 为直径4mm、有效采样长度15mm 的采样器圆柱形管芯，图3 为直径2.5mm 带外壳采样器，有效采样长度15mm 的采样器内圆柱形管芯。 其中，图1 和图2 只是尺寸上的差异，图3 滤膜外屏蔽有保护壳，只能通过前端进气口对环境采样，滤膜对采样环境是隔离的。

图1 直径2.5mm 采样器Fig.1 2.5mm diameter sampler

图2 直径4mm 采样器Fig.2 4mm diameter sampler

图3 直径2.5mm 带外壳采样器Fig.3 2.5mm diameter samplerwith shell

2.1 模型网格划分和域属性设置

网格划分完成后，图4 采样器整个流道网格节点总数为193025 个，单元总数为1028377 个；图5 采样器整个流道网格节点总数为160188 个，单元总数为885013 个；图6采样器整个流道网格节点总数为237124 个，单元总数为1233110 个；计算基于不可压缩的连续方程和N-S 方程，湍流计算采用标准k-ε 湍流模型。 边界条件：在进口面上根据流量给定速度条件， 采样器入口气流流速和试验环境内气流平均流速相同，气流速度1m/s，并假定速度垂直于进口面；出口边界条件为自由流出。

图4 直径2.5mm 采样器全流道模型Fig.4 Full-flow channel model of 2.5mm diameter sampler

图5 直径4mm 采样器全流道模型Fig.5 Full-flow channel model of 4mm diameter sampler

图6 直径2.5mm 带外壳采样器全流道模型Fig.6 Full-flow channel model of 2.5mm diameter samplerwith shell

2.2 三种模型的流场对比分析

计算结果收敛之后，在ANSYS-CFX 后处理平台CFDPOST 对流场数据进行整理和分析，采样器分析云图如图7～图9 所示。

图7 直径2.5mm 采样器全流道流速分布图Fig.7 Velocity distribution diagram of the full flow channel of a 2.5mm diameter sampler

图8 直径4mm 采样器全流道流速分布图Fig.8 Velocity distribution diagram of the full flow channel of a 4mm diameter sampler

图9 直径2.5mm 带外壳采样器全流道流速分布图Fig.9 Velocity distribution diagram of the full flow channel of the 2.5mm diameter sampler with shell

3 结论

2.5mm 采样器圆柱形管芯与直径4mm 采样器圆柱形管芯沿柱面采样进气孔各位置气流速度基本一致，满足等速采样要求， 是一种切实可行的减小采样器尺寸的采样方法。

图7～图9 压力云图中显示，直径2.5mm 采样器圆柱形管芯与直径4mm 采样器圆柱形管芯气流参数分布较好，梯度变化小，消耗能量较少；直径2.5mm 带外壳采样器进气口端气流参数分布较差，梯度变化大，产生湍流直接影响到流场基本特征，不能满足本试验生物气溶胶采样所需条件。

不带外壳的直径2.5mm 和4mm 采样器圆柱形管芯可进一步改进加工工艺，优化成型；直径2.5mm 带外壳采样器需多组件成型加工，进气端采样流速变化明显，采样管柱面难以实现均匀流速采样， 仅适用于要求采集样品隔离采样环境而对环境采样无层流要求的场所。

4 结束语

本文以两种结构形式、 三种典型规格的采样器为研究对象，以选型优化一种结构形式采样器设计方向为主要目的，以计算流体力学为理论基础，以数值模拟分析方法为解决手段，通过采用三维数值模拟仿真的方法对采样器圆柱形管芯流场的气体流动的迹线图、 速度与湍流动能分布情况进行了分析，进而明确了试验环境取样所需采样器结构形式，提出了改进方案，为其进一步试验定型、筛选提供了指导，节省了人力、物力和时间。