医用盐粉颗粒雾化器及雾化效果试验研究

摘要

医用盐粉颗粒雾化器作为一种应用于治疗呼吸道疾病的医学设备，能够将盐粉雾化，由患者通过自主呼吸将盐雾送达患处起到治疗作用。目前的医用雾化器结构简单、雾化浓度不够均匀，并且容易在内壁及底部产生堆积，使得雾化治疗效果不理想、药粉浪费，甚至使患者产生不适感。因此研究医用盐粉颗粒雾化器，提高雾化效果，在雾化治疗领域具有重要的理论意义和实用价值。 主要研究内容及结果如下： （1）分析了医用雾化器的雾化机理和雾化过程，并推导定向风速的理想情况下，颗粒雾化浓度分布情况，结果表明：湍流扩散系数越大，雾化行程越大，空气流速越小，颗粒浓度离散度越高，雾化浓度越均匀；在此基础上，采用欧拉-欧拉多相流模型和k?ε湍流模型，建立了雾化的物理模型和数学模型，分析了流场内气固两相的受力情况；确立了盐粉雾化的主要性能指标为盐雾浓度均匀程度、出雾口盐粉动能和雾化速率。 （2）根据医用盐粉雾化器的实际结构、气固两相的速率范围等设定边界条件，对医用盐粉雾化器的气固相流场仿真，分析了雾化器结构和气固相速率等因素对雾化器雾化效果的影响，结果显示：通过改良雾化器的出雾口形状，雾化浓度均匀程度得到了显著改善，归一化的混合强度由0.359改善为0.174（0代表完全混合，1 代表完全分离）；当雾化器的气流从切向射入雾化腔时，混合强度为0.242，无论从盐粉的雾化均匀程度、盐粉的雾化速率方面，相比于直射入雾化器底部都稍逊一筹；当盐粉加入速率在1.26×10-8 kg/s~1.39×10-7kg/s范围内变化，雾化浓度均匀度影响不明显；当气相速率提升时，雾化浓度均匀度有一定提高，雾化器内的湍动能得到提升，雾化的速率也得到略微提高，气相速率达到25m/s时，混合强度达到了0.091。 （3）通过搭建气路系统、试验系统软硬件平台，研制了医用雾化器雾化效果试验系统，重点设计制作环状静电传感器的信号处理电路，基于LabVIEW设计上位机应用软件，并对试验系统进行了调试。 （4）采用光学摄影方法观察了医用盐粉雾化器的实际雾化情况，通过对雾化效果试验分析，得到了与数值模拟相似的结论：对雾化器出雾口形状结构改进后，雾化器的雾化效果得到显著提升，其雾化射程由55mm提升为132mm；改变气流的方向，使得雾化器内流场变成旋流后，雾化器雾化产生较多的结块，并且在雾化器内壁产生了较多的堆积，雾化效果不理想；随着固相速率的提升，雾化器的雾化浓度均匀度没有明显变化，并且雾化盐粉的浓度随着固相速率的上升线性增长；随着气相速率的提升，雾化射程有明显增加，雾化器的雾化浓度均匀度得到了增强，而雾化盐粉的浓度有一定的减少。

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