一种医用射流雾化器工作原理的仿真与分析

黄世帆, 周茂瑛，2，, 傅 阳, 王利明

(1.杭州电子科技大学 机械工程学院， 浙江 杭州 310018； 2.电子科技大学 机械与电气工程学院， 四川 成都 611731；3.浙江海圣医疗器械股份有限公司, 浙江 绍兴 312071； 4.浙江科技学院 机械与能源工程学院， 浙江 杭州 310012)

引言

雾化吸入是临床上常用的一种介入手段。对于气管切开需要辅助机械通气的患者，雾化器产生的潮湿空气，可以帮助湿化患者的气道，防止痰液淤积，避免呼吸机相关性肺炎的发生[1]。对于慢性呼吸道疾病患者，雾化器可形成含药物的微细气溶胶，经由呼吸道直接吸入，到达指定病灶并被人体吸收，提高药物的作用效率[2]。目前临床实践和日常生活中常用的雾化器包括射流雾化器、超声雾化器和振动网筛雾化器等[3]，其中射流雾化器结构简单，成本低廉，效率较高，是家用雾化给药的普遍选择。

射流雾化器一般基于压缩空气进行工作。压缩空气流经收缩管道时在文丘里效应作用下在喷口处形成高速低压剪切流。药液在喷口处高速气流混合并在剪切力的作用下破碎成细小液滴，最终与空气流均匀混合形成气溶胶。整个雾化过程涉及到非稳态的内流动多相传质传热问题，目前仍未得到有效的研究[4]。一方面，液体在高速气流中的雾化机理仍未完全厘清。尽管液膜[5]，液丝[6]和大液滴[7]的破碎雾化机理已经获得了初步的研究，但针对特定的雾化喷嘴结构，如何表征温度、药液成分与物性、以及气流速度与压力等关键因素对最大雾化率和气溶胶产物粒径参数等的影响，仍然是一个难题[8]。目前的通行做法是通过大量的参数化实验进行测量，成本非常高，而且由于雾化产物尺寸极小，实验测量精度不高。另一方面，受到观测和测量手段的限制，很难通过直接实验分析对雾化器的雾化过程进行有效的记录和分析。GEERTSEN等[9]采用不同的测量手段分析了不同喷嘴的外流动雾化效果，分析了系统参数对雾化产物的特性的影响。但由于雾化喷嘴在工作时处于雾化器结构的内部，其雾化效果无法直接观测。

针对这些理论和实验中遇到的问题，可以借助计算机仿真来研究雾化过程中的传热和传质现象，从而指导雾化器的结构设计和优化。LELONG等[10]利用仿真方法研究了上风道式雾化器的雾化过程和雾化产物参数，但仿真结果与实验数据差距较大。GE等[11]对射流冲击雾化器的工作过程进行了轴对称仿真分析，获得了几何参数对雾化产物特性的影响。这些仿真研究为雾化器的设计提供了一定的参考，但具体到本研究所涉及到的新型雾化器结构，尚无数值仿真结果供参考。

因此，本研究结合射流雾化器的结构方案和工作流程，分析雾化器工作过程中所涉及到的物理过程，借助于Fluent多相流仿真分析软件，对雾化过程展开计算流体力学仿真研究，分析药液在高速气流作用下破碎产生细小液滴的过程，为雾化器的结构设计和优化提供理论指导，对雾化器在医疗领域的应用和发展具有一定的意义。

1 雾化器的总体结构

射流雾化器的结构如图1所示。一个典型的商用雾化器如图1a所示。本研究所涉及的雾化器由药杯、支撑板和隔板等组成，图1b所示。

图1 雾化器的总体结构

在实际使用过程中，雾化器需要配合压缩机和呼吸接口等使用。压缩机产生压缩空气，并以一定的气流压力和流量供给雾化器使用。雾化器产生的含微细药物颗粒或水滴的气溶胶经由呼吸面罩或者咬嘴供给患者使用。支撑板和药杯之间形成的毛细狭缝是雾化器正常工作的关键之一。一方面，该毛细狭缝能够保证药液形成一定厚度的薄膜，便于后续在高速气流下的雾化。另一方面，支撑板一般还需要实现对隔板的支撑，并为喷出的微细液滴提供空间，且不对微细液滴的喷出造成阻碍。此外，药杯中还有一个供压缩空气进入的收缩管。其几何结构使得压缩空气在到达喷口时能够获得合适的压力和速度，从而保证雾化过程的顺利进行。

2 雾化器的工作过程

当药液注入到药杯中之后，启动压缩机提供压缩空气，此时雾化器的基本工作过程可以分为三个阶段：毛细上升、喷口雾化和气溶胶排出等，如图2所示。

图2 雾化器的工作过程

2.1 毛细上升阶段

在雾化器结构中，毛细狭缝由两组锥面形成，宽度固定，一般约为0.2 mm。在毛细上升阶段，药液受到黏性力、惯性力、重力、毛细力和进出口处空气压力等的影响[10]，在由2组锥面形成毛细狭缝中不断上升，并经由毛细狭缝出口以一定速度喷出到喷口附近，如图3所示。我们将此阶段命名为“毛细上升”主要是强调此时药液在毛细狭缝中运动。此阶段药液上升和喷出的主要驱动力应该是喷口处和自由液面处的空气压力差。

图3 毛细上升阶段示意图

药液到达喷口后以一定的速度沿着狭缝横向喷出，遇到经由收缩管喷出的压缩空气，在高速剪切作用下破碎成细小液滴。达到稳定雾化状态时，喷口处的压力po可以认为是一个定值，而喷口处药液的速度也是稳定的。对药液应用伯努利方程有:

(1)

式中,pa—— 药杯中药液自由面处的压力

ρd—— 药液的密度

Vd—— 药液在喷口处的速度

hγ—— 与毛细力有关的水头损失

h—— 药液面的上升高度

g—— 重力加速度

需要注意的是，由于药液自由面的面积很大，在雾化过程中液面的高度改变非常缓慢，因此可以近似认定药液自由面的处的药液速度为0。

设压缩空气进入收缩管时的压力与流速分别为pi和Vi，依据伯努利方程有：

(2)

式中，ρa表示空气的密度。假定收缩管入口和出口处的直径分别为di和do，依据质量守恒有

(3)

2.2 喷口雾化阶段

药液在毛细狭缝中受毛细力和负压等的作用上升并最终到达喷口时，流速比较低。喷口处的高速压缩空气与低速药液相遇，使得药液在高速剪切的作用下发生多种形式的流动失稳，破碎为大小不一的液滴，如图2b所示。这一液滴破碎过程决定了雾化产物的特性，包括气溶胶粒径分布、平均粒径、混合效率和雾化率等。在高速剪切气流中，药液破碎为液滴的主要机理为液膜的失稳破碎，即沿着液膜—液丝—液滴的流程逐渐演变[11]，或者所谓的初级雾化[12]和次级雾化[13]。

2.3 撞击回流和气溶胶喷出阶段

如前所述，药液在喷口处的高速气流作用下破碎成大小不一的液滴后，会随着高速气流继续运动和演化，如图2c所示。在这一过程中，液滴会在毛细力、气动力、重力和惯性力等的作用下产生变形和转动[14]，并可能在巨大变形下进一步破碎[15]为更小的液滴。此外，液滴会通过蒸发和凝结与周围环境产生物质交换[16]。一般而言，考虑到雾化过程所涉及到的时间尺度一般为ms级别，且雾化器工作环境中的温度梯度较小，在此过程中发生的物质交换可以忽略。

液滴在随气流运动演化的过程中会与隔板发生碰撞，从而影响其接下来的路径。对于粒径较大的液滴而言，其动力学演化受重力和空气黏性阻力主导，在撞击后会改变运动方向，重新回到药杯中。小液滴在撞击后仍然受到高速气流的影响并与气流不断混合，从而能够最终到达气溶胶收集管路。更小的液滴有可能在撞击后受到毛细力的作用而停留在隔板上，并最终通过液滴融合形成更大的液滴而在重力作用下掉回到药杯中。

经过隔板碰撞筛选后的液滴通常粒径处于某一特定范围。这些液滴在随着高速气流运动的过程中本身的粒径也会发生变化。这一过程伴随着液滴与气流的不断混合和相互作用。最终，含药液颗粒的气溶胶会到达收集区域并随着使用者的呼吸活动进入体内。

3 雾化过程的多相流仿真分析

结合以上分析可知，雾化器的实际工作的每一个阶段都涉及到复杂的物理过程，很难以简单的函数关系来描述雾化的实际效果与雾化器的各项参数之间的关系，甚至雾化的核心过程都没有办法有效地进行实验观测。这就使得数值仿真成为了解和分析雾化过程，并在后续的设计中优化雾化器的结构的重要手段。目前已经有许多研究利用数值仿真手段对液滴的形成和运动过程分析。相关的分析已经成功在气泡形成[19-20]、气液两相耦合[21-22]、液滴产生[23]、燃烧[24]和大气污染物的扩散分析[25]中获得应用。但他们主要研究高速液体在周遭环境气体中的破碎，与雾化器中的实际工况不同。而且以往的仿真很少考虑气体和液体流速之间的巨大差别，对液滴形成过程中所涉及到的多尺度过程也没有进行有效描述。

3.1 基于流体体积法的二相流建模

为此，本研究拟采用多相流仿真的方法，充分考虑雾化过程中所涉及到的多尺度物理现象，针对喷口雾化阶段进行仿真分析。由于整个雾化过程涉及到分散流和自由表面流动等多种复杂的流体仿真过程，而且涉及到流体微细颗粒与固体之间的碰撞，完整的三维多物理场仿真需要消耗大量的计算资源。因此，本研究针对喷口雾化过程进行了适当的简化，运用二维的轴对称模型对该物理过程进行了建模，并聚焦于喷口雾化所涉及到的高速气流和低速药液流动。

利用流体体积法将气液两相流动过程用单一的动量方程来描述：

(4)

ρ—— 密度

p—— 压力

μ—— 动力黏度

Fs—— 与毛细力相关的源项

g—— 重力加速度

所研究的流场中给定位置的网格中液体的体积含量用一个新的物理量F来表示。

(5)

而方程(4)中的物理参数表示为：

(6)

其中，ρf，μf和ρa，μa分别对应于流体和气体的密度，动力黏度。

3.2 二相流动几何模型与网格

依前所述，本研究重点关注喷口附近的雾化过程。在进行几何建模时，我们对雾化器的整体结构进行简化。首先，实际的雾化器在支撑板与隔板之间设有非轴对称的支撑结构，以保证喷口处雾化产生的微细液滴能够随着压缩空气排出。本研究在进行几何建模时不考虑该支撑结构，将雾化器结构视为轴对称的，对称轴如图1b所示。考虑到药杯较大，其中液面改变很缓慢，在仿真所需的时间内可以认为是不变的。我们在几何建模中去掉了包含初始液位的药杯部分，利用等效原理直接设定药液的注入速度。此外，为进一步减少不必要的计算消耗，在仿真中只考虑雾化出口处的部分空间，最终所选定的仿真区域为图1b所示的红色虚线框内部分，在轴对称假设下其几何结构如图4a所示。这些结构简化不可避免地在后续的仿真中引入误差。但是考虑到全尺寸三维仿真所需要的时间和计算资源[10]，本研究所采用的结构简化能够明确药液雾化的基本物理过程，并能够帮助确定后续的全尺寸三维仿真中所需要使用的仿真参数。需要注意的是，考虑到ANSYS软件中对称轴默认在水平方向，在图4的仿真建模中将图1b所示的雾化器结构逆时针旋转了90°。考虑到喷口附近是雾化发生的核心区域，涉及到微米级液滴的产生，需要非常细密的网格，我们划定此区域的网格尺寸最大为4 μm。而其他的如气流入口、药液入口和气溶胶出口区域的流动状态主要是单相流，因此选定这些区域的网格尺寸最大为50 μm。由此得到的网格划分情况如图4b所示。

图4 喷口雾化的仿真模型

3.3 流动模型与边界条件

由于药液的流速和压缩空气的流速之间存在较大差别，因此在药液雾化过程中需要考虑湍流模型。经过筛选，选择了剪切应力输运的雷诺平均模型(RANS-SST)。此外，我们设定压缩空气的进口压力为0.6 MPa。药液的进口平均速度为0.2 m/s。气溶胶出口的给定压力为0.1 MPa。为在有限的计算资源下获得计算过程的收敛性，我们选定了瞬态计算的时间步长范围。设定Courant数为2，根据给定的网格，所需要的时间步长在1 ns到100 ns之间[25]。在计算过程中，在雾化发生时，变步长求解器选择的时间步长约在5～9 ns，基本符合我们的预期。

4 结果与分析

针对雾化器实际工作过程的物理复杂性，我们通过一系列的仿真分析获得了系统的参数特定，并且具体针对雾化过程进行了定性分析。

4.1 稳态气体压力分析

如前所述，雾化器中药液是在毛细力和负压的共同作用下从药杯沿毛细狭缝到达喷口处。为分析这一点，我们不在药杯中添加药液，并将原来针对药液的进口边界条件改成出口压力边界条件，压力值设定为0.1 MPa，如图5所示。

图5 雾化器的边界条件设置

针对这一工况，进行了稳态分析，获得了整个区域内的气体流动状态。图6和图7分别展示了仅有压缩气体流时雾化器内流场的压力云图和流线图。首先从压力云图可以看出，尽管压缩空气在进口处的压力设定为0.6 MPa，但是在流过收缩管时，其气体压力会迅速减小。气流到达喷口处，实际的气体压力约为0.097 MPa，小于药液入口处设定的压力(0.1 MPa)。因此，在喷口出会形成负压，使得药杯中的药液在虹吸作用下缓慢的沿着毛细狭缝到达喷口。这一效果也可以籍由图7看出。由于雾化器中流道的几何特征，速度流线基本是沿着气流的进出方向分布，但是在药液上方区域和喷口区域各自存在一个回流区，使得气流在局部范围内循环流动，形成低压区。

图6 稳态气流下雾化器中的流场压力分布

图7 稳态气流下雾化器中的流场流线分布

4.2 药液的动态雾化分析

基于稳态分析结果，确认了药液的毛细上升阶段的基本特征，即由于气流在流经收缩管之后产生了低压区，使得药液在负压作用下沿毛细管流动。因此，根据实际药液的雾化流量，可以在动态雾化分析中，将药液的进口条件设定为速度入口条件，即设定药液在入口处的平均速度(此处经过计算，可以设定进口速度为0.2 m/s)。此时，经过计算，雾化过程中的药液体积分数云图如图8所示，其中图8i)的具体VOF云图如图8所示。

图8 雾化过程

根据图8所示的云图，我们可以将药液雾化的过程定性描述如下：首先，药液在负压作用下经由毛细狭缝以较低速度到达喷口。其次，在喷口处，气流速度远大于药液速度，使得药液薄膜(此处称薄膜因为毛细狭缝的厚度约0.2 mm，药液到达喷口出时会形成环形液膜，其厚度可认为是0.2 mm)在剪切作用下变形拉长(如图8e所示)，并最终在毛细力作用下破碎为细小的液滴(如图8h所示)。从仿真的结果可以看出，该过程所产生的液滴的基本尺寸为8～15 μm。这与市售产品的尺寸范围基本吻合。注意到该仿真主要针对喷口雾化过程进行分析，所获得液滴尺寸不能代表该雾化器结构最终能产生的雾化产物的基本尺寸。此外，本仿真数据无法获知具体的药液液滴尺寸分布，也无法获得药液液滴在产生后与隔板之间可能发生的碰撞及之后在气流中的进一步演化。

这些不足主要与采用的仿真模型有关。一方面，目前的仿真模型是轴对称模型，从根本上假定整个流场和雾化过程是轴对称的，这与实际雾化过程不相符。另一方面，受到计算能力限制，目前的几何模型与实际雾化器的结合模型有所差别，所采用的网格划分尺寸限制也在机理上限定了所能获得的液滴基本尺寸。此外，由于雾化过程涉及到非常复杂的传质传热过程，需要在物理模型里面考虑空气的传热性质以及可压缩性。

5 结论

本研究针对医用雾化器的工作过程进行研究，首先根据物理过程将雾化器的工作过程划分为毛细上升、喷口雾化以及碰撞回流和气溶胶喷出三个阶段，并描述了各个阶段的基本特性；然后根据稳态仿真结果分析了喷口附近负压的形成过程和基本原理，确认了药液在毛细力和负压作用下沿毛细狭缝运动的基本过程；最后依据稳态仿真结果设定合适的边界条件，获得了喷口雾化的时序过程，并确定了雾化的基本步骤。

图9 雾化过程i)时刻的VoF云图

这些仿真解释了与雾化器相关的基本物理过程，对雾化器的结构设计具有指导作用，也为进一步实现雾化器的结构和性能优化奠定了理论基础，对于医用雾化器的及其辅助系统的智慧化发展提供了理论指引，为应用于其他领域的雾化器的设计提供参考。