基于往复式柱塞的呼吸机测试仪校准装置仿真

徐 峥, 徐志鹏, 张高明, 蒋 庆

(中国计量大学计量测试工程学院, 浙江省流量计量实验室, 浙江杭州 310018)

引言

呼吸机测试仪是用于对呼吸机机械通气计量学参数进行检定、校准的专用测量仪器,但其在经过一段时间使用后,内部传感器指标会出现偏离现象。为保证日常的安全使用及量值准确,对呼吸机测试仪定期开展计量校准尤为重要[1]。

目前有关呼吸机测试仪的校准工作分散在计量院各个科室,需要通过多台设备实现,进行多次拆装,多个参数分散独立检测,效率较低[2]。

并且由于呼吸机的实质是将气体以一定的流量和压力送至病人端,使人能够进行气体交换,所以如何产生并精确控制动态流量是呼吸机测试仪标准装置研究最基本、最核心的技术环节。

早在2003年日本东京工业大学和日本国立计量科学研究院就曾分别研制出了恒温室非稳态气体流量发生器和可用于评估呼吸式气体流量计动态特性的非定常气体流量发生器[3-5]。后来国内也陆续出现了相关研究,例如王涛等[6]研发出了具有流量反馈的气体动态流量发生器;山东省计量院提出的通过三个不同有效容积的套筒所组成的活塞来实现小微气体流量的发生器[7]。但大多数现有研究方法都是以气动阀门等控制元件为研究对象,且装置结构复杂,将气体计量仪表作为研究对象,分析其动态流量的相关研究更是少见。

结合以上现状,本研究整合了呼吸机测试仪动静态气体流量、压力等多个参数进行校准测试,采用往复式柱塞结构实现动态流量发生,从而对动态流量、压力进行校准溯源,实现流量范围的拓展以及精度的提高,并结合一维液压系统仿真得到了柱塞输出流量与柱塞运行速度的关系,运用得到的柱塞速度进行三维流体数值仿真,最后得到大致输出流量结果,初步验证了装置设计的合理性。所得研究成果预计可以直接应用在计量院呼吸机测试仪、肺功能仪等仪器设备的检测服务中。

1 装置总体设计

1.1 技术指标

参考正常呼吸生理参数[8]提出本装置预计实现指标见表1。

表1 技术指标参数

1.2 装置结构

整体设备的工作原理为:通过柱塞在气缸内的往复运动实现气体流动从而模拟呼吸曲线,发生静态、动态流量。

该装置由伺服电机,联轴器,丝杠,柱塞,柱塞缸,温度、压力变送器,气动阀,缓冲罐,调节阀等组成。当模拟呼气时,柱塞向下运动,空气气源可为气缸提供呼吸所用的空气;当模拟吸气时,柱塞向上运动进行送气,从而实现柱塞缸内气体与外界气体的交换[9]。活塞缸出口所连接的缓冲罐用来稳定气流,下游的质量流量计用来实时监测输出流量,结构示意如图1所示。

图1 整体结构图

根据上文技术指标,设计的机械参数如表2所示。

表2 装置机械参数

表3 仿真结果

1.3 装置数学模型

当模拟呼气柱塞向上运动时,空气气源可为气缸提供呼吸所用的空气,气体从柱塞缸内经过管道、缓冲罐排出。排出气体的质量流量qm由(1)式可计算得出。

式中, L —— 运行过程中柱塞的位移

d —— 柱塞直径

ρ —— 缸体内的气体密度

t —— 运行时间

理想气体状态方程的密度表达式为:

式中, p —— 理想气体的压力

T —— 理想气体的温度

R—— 通用气体常数

M —— 理想气体物质的量

Z —— 气体压缩因子

由式(1)、式(2)联合求解可得柱塞速度和质量流量之间的关系,即装置的数学模型,其中vt是实际工况下柱塞在t时刻的运行速度[10]。

根据呼吸机测试仪标准规范要求,本研究流量单位都换算为L/min。

2 基于AMESim的一维仿真

2.1 柱塞系统一维AMESim仿真模型

为了获得动态气体流量输出与柱塞速度之间的对应关系,本研究采用AMESim软件仿真来解决该问题[11]。

在初步搭建模型时,考虑到通过对比质量流量的输出及输入间误差,实时调整柱塞速度获得理想动态气体流量结果输出这一开环控制方案会带来较大工作量及反馈误差[12-13],本仿真采用了闭环控制形式,实际装置的各个环节在仿真中做适当简化,选择对应的模型元件,搭建的仿真模型结构如图2所示。

图2 AMESim仿真结构图

柱塞缸下游连接的等效缓冲区容腔体积(死区体积)设置为3 L[13],等效容腔连接至流量计的气动管路直径设置为22 mm,仿真温度设置为293.15 K,压力101.325 kPa,取活塞缸表面积的一半作为装置和环境的热交换面积。

2.2 一维AMESim仿真

选取静态流量曲线及人体呼吸流量模式曲线作为AMESim输入信号。对于静态流量的仿真,将线性流速曲线作为输入信号即可。本研究模拟输入的静态流量流速为200 L/min,输入设定流量与一维仿真输出流量对比及相应输出的柱塞速度如图3所示。

图3 200 L/min静态流量一维仿真结果

模拟输入的人体呼吸流量模式曲线的周期为2.5 s,且潮气量(半个周期内流量积分为潮气量)在1 s 处达到最大值约为2600 mL,最大动态流量可达245.24 L/min。设定输入流量与一维仿真输出流量对比及相应输出的柱塞速度如图4所示。

图4 人体呼吸流量模式一维仿真结果

由一维仿真结果可知,输出的柱塞速度曲线与设定输入流量曲线基本呈线性相关。

3 基于ANSYS的三维仿真

AMESim平台作为一维多领域仿真平台,大多都用来权衡和分析整个系统,但无法观察不同结构形状对流场的影响。所以为验证装置设计的合理性,本研究利用ANSYS FLUENT进一步对装置内部流场情况进行分析[14]。

3.1 装置三维ANSYS仿真模型

1) 模型建立与网格划分

首先,利用前处理软件SpaceClaim搭建校准装置的三维简化模型,如图5所示,气缸直径D为400 mm;气缸长度L为800 mm;缓冲罐直径d为200 mm;缓冲罐长度l为95.5 mm;连接至呼吸机测试仪的管径d′为22 mm。

图5 柱塞模型

模型建立好后,采取ICEM CFD生成非结构网格:网格单元为六面体单元,且在出口壁面,柱塞缸与出口管径交接等处进行相应网格细分[15]。最终的总网格数约为1.87×106,最小网格质量为0.715,图6为网格划分图。

图6 网格划分图

2) 求解条件设置

最后将划分好的网格模型导入Fluent进行求解:

(1) 静态流量模式仿真选择层流模型、人体呼吸流量模式仿真选择Realizablek-epsilon湍流模型[16],可扩展壁面函数;

(2) 理想气体作为流体介质;

(3) 柱塞缸壁面作为可运动的壁面。

3.2 ANSYS三维流体仿真结果

由于柱塞是往复式运动,缸体内介质处于不断变化的状态,故本研究采用动网格技术对液压缸内部流场进行仿真。更新方法选用弹性光顺与局部网格重构相结合[17],同时为了避免动网格计算过程中出现负网格,也需对动网格参数进行多次修正以提高网格质量。此外,本研究选取了Profile文件作为动网格运动速度方式定义方法[18]。仿真时间步长设置为0.1 s,总步数300。

1) 三维流体仿真压力、温度结果

为了更清晰地观察柱塞缸内部流场的压力及温度分布,本研究通过后处理软件CFD-Post绘制了静态流量、人体呼吸模式在5, 15, 30 s时间点的压力、温度云图,如图7、图8所示。

图7 静态流量200 L/min模式下内部流场压力、温度分布云图

图8 人体呼吸流量模式下内部流场压力、温度分布云图

从上图可发现, 200 L/min静态流量模式的工作腔内部温度随着柱塞向上移动会出现细微波动, 但一直稳定分布在300 K; 出口截面位置的压力则随着柱塞移动,呈现出不断挤压状态,动态压力(dynamic pressure)持续上升。

而相较于静态流量模式,人体呼吸流量模式工作腔内气体压力则处于动态平稳、分布均匀状态;内部温度随着柱塞往复运动呈现从高到低,逐渐分布均匀的趋势。

2) 两种仿真输出流量对比

图9为ANSYS输出流量与AMESim输出流量结果对比。

图9 一维仿真与三维仿真流量输出对比结果

三维仿真结果具体参数可见表格3。

从以上数据可以看出,静态流量模式下三维仿真稳定后的流量输出与一维仿真输出结果相差不大,只是三维仿真稳定时间较长,两种仿真的流量误差大致为2.5%。

人体呼吸流量模式的ANSYS仿真输出流量曲线与AMESim输出流量曲线的形状、周期基本一致,动态流量峰值相差也较小,其中三维仿真输出的潮气量最高可达约2876 mL(图中标识面积S),如图10所示。

图10 潮气量标识图

产生两种仿真输出流量误差的原因分析如下:

(1) AMESim仿真输入信号所使用的数表函数(dynamic_time_table)其实输出的是对设定输入文件中数值插值拟合后的结果,与设定流量曲线并不是完全一致,后续考虑将数表函数输入改为分段函数输入;

(2) 气体的可压缩性会使气体柱塞系统的容积、温度、压力和热交换面积不断变化。且柱塞往复运动时工作腔内部气体变化情况相较于柱塞单方向运动情况会更为复杂,输出流量可能会出现延迟误差;

(3) 考虑在一维仿真时选择更为合适的柱塞初始位置及缓冲区体积,同时在三维仿真中选取更小时间步长,准确观察输出结果。

4 结论

设计了一种基于往复式的动态气体流量发生器,并基于AMESim一维仿真环境搭建了系统仿真模型,以人体呼吸动态气体流量为目标曲线,得到所需的柱塞运行速度再进行ANSYS三维流体仿真气缸内运动过程,实现较为平滑的动态流量输出。结果表明,通过理论仿真导出轨迹曲线实现动态流量输出的方法可行,可以输出的动态流量频率约0.4 Hz,输出幅值240.92 L/min,潮气量可达2876 mL;静态流量输出幅值196.43 L/min,误差约2.5%,初步满足对呼吸机测试仪校准要求。