大剂量多孔无针注射器结构优化_刘国勇.pdf

第 50 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月Vol.50，No.2Feb.2 0 2 3湖 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）大剂量多孔无针注射器结构优化刘国勇 1，李帆 1，李新月 1，陈雪波 2，朱冬梅 1（1.北京科技大学 机械工程学院，北京 100083；2.东风本田汽车有限公司，湖北 武汉 430056）摘 要：针对目前单孔无针注射器单次注射剂量小、需要多次重复注射的缺陷，提出一种大剂量多孔无针注射器.应用ANSYS Workbench仿真平台对多孔无针注射器的注射流场进行分析，发现多孔无针注射器的工作压力不低于13 MPa；并通过流固耦合分析，得到多孔无针注射器不同直径的应力变化规律，且拟合了不同压力下许用应力与最小安瓿直径之间的关系多项式.根据仿真结果设计正交试验对多孔无针注射器收缩段进行结构优化，得到优化方案：20收缩角、1.4的长径比、2 mm的分布圆直径、4.05 mm的收缩段长度和0.165 mm的微孔直径.且通过安瓿的应力分析，验证了优化方案满足材料的力学性能要求.优化结果表明，该注射器具有比传统单孔注射器更大的注射剂量，可达5 mL，注射速度高达150 m/s以上，能击穿皮肤，同时又不致造成过多损伤.试验及动力学分析进一步验证了优化方案的可行性.关键词：无针注射器；流场；流固耦合；正交试验；动力学仿真中图分类号：TH789 文献标志码：AStructure Optimization of Large Dose Multi-hole Needle-free InjectorLIU Guoyong1，LI Fan1，LI Xinyue1，CHEN Xuebo2，ZHU Dongmei1（1.School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Dongfeng Honda Automobile Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China）Abstract：Aiming at the shortcomings that the single injection dose of the current single-hole needle-free injector is small and requires repeated injections，a large-dose multi-hole needle-free injector is proposed.ANSYS Workbench simulation platform was used to analyze the flow field of the needle-free injector，and the working pressure range was gained not less than 13 MPa.Meanwhile，the stress variation law of the needle-free injector under different diameters was obtained by fluid-structure interaction analysis.The relationship polynomial between the allowable stress and the minimum ampoule diameter under various pressures is fitted.According to the simulation results，an orthogonal test was designed to optimize the structure of the contraction section for the needle-free injector.The optimized scheme was obtained as follows：the contraction angle was 20，the aspect ratio was 1.4，the diameter of the distribution circle was 2 mm，the contraction section length was 4.05 mm，and the diameter of the micro-hole was 0.165 mm.Through the stress analysis of the ampoule，it is verified that the optimized scheme can meet the mechanical property requirements of the material.The optimization results show that a larger dose is achieved than the 收稿日期：2022-02-11基金项目：国家留学基金委资助项目（201806465019），China Scholarship Council（201806465019）作者简介：刘国勇（1969），男，湖北宜城人，北京科技大学副教授，博士 通信联系人，E-mail：gy_文章编号：1674-2974（2023）02-0181-10DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2022204湖南大学学报（自然科学版）2023 年traditional single-hole injector，the dose can be up to 5 mL，and the injection speed is as high as 150 m/s，which can penetrate the skin without causing too much damage.The feasibility of the optimization scheme was further verified through experiments and kinetic analysis.Key words：needle-free injector；flow fluid；fluid-structure interaction；orthogonal test；dynamics simulation目前，国内外普遍采用不锈钢制成的注射针对人体进行药液注射.针头的穿刺会引起剧烈的疼痛，且给药时针头侵入体内，容易传播病毒、细菌，传播烈性传染病，因此，对其消毒措施要求很高.此外，有针注射器多为一次性使用，后续的回收处理比较麻烦.所以无针注射方式越来越引起关注.国外对无针注射的研究起步较早，早在 1866年，法国科学家Bclard首次提出了“无针注射”的概念.相较于传统有针注射，无针注射方式具有药效更好、疼痛感更轻等优点，所以无针注射方式逐渐成为药物注射、传染病防治的最佳选择1-2.Mohizin等人分析了药液注射介质对微孔射流的渗透和分散影响机理，其研究表明：介质的黏弹性、介质间的界面类型和注射深度都影响了药液的注射过程3.Rane等人通过数值模拟，得到了流体的流变和微孔几何形状对射流特性的影响，同时将研究扩展到非牛顿流体，认为其流变特性可通过Carreau模型进行近似，还阐明了不同流变参数对射流特性的影响4.Nakayama等人通过CFD模拟，分析了无针注射器的流场特性.通过移动边界方法模拟了药液在安瓿内部的流动过程，并使用LES/VOF方法对流体的动力学过程进行了建模5.Williams等人通过使用计算流体动力学方法和实验观察来研究微孔的几何形状、流体黏度和黏性热对射流过程的影响6.Schoubben等人模拟计算了不同条件下的射流力、射流速度以及射流的持续时间，且将聚丙烯酰胺凝胶用于模拟皮肤软组织，研究了不同注射剂量随时间变化的射流过程7.Mohizin及Rane等人针对无针注射器的流场进行了研究，通过试验和仿真结合的方式，分析了药液黏度及驱动压力等参数对流场特性的影响8-9.Zeng等人通过无针注射实验，定量分析了微孔直径及注射体积对药液分散过程的影响10.反观国内研究现状，虽然我国在无针注射技术这一领域起步相对较晚，但近些年来关于无针注射的项目工作也在陆续地展开.其中：陈波等人基于FLUENT软件对无针注射器的工作全过程进行了数值模拟，得到了驱动压强与出口射流速度间的变化规律及药液在皮肤内的扩散过程11.宋飞洋及陈添禹等人对无针注射进行了仿真建模及实验研究，得到了无针注射器的几何参数对射流特性、活塞杆受力等因素的影响12-13.虽然关于无针注射方面的研究较多，但并没有解决其单次注射剂量小的问题，传统单孔注射器单次注射剂量仅 0.30.5 mL14，这是限制无针注射推广的主要原因，同时对其注射机理尚未形成完整的理论体系.本文旨在提出一种大剂量的多孔无针注射结构，注射器的最大注射剂量可达5 mL，并对其结构进行优化，为大剂量无针注射的设计及使用提供参考.1 模型建立1.1 无针注射器二维模型的建立大剂量多孔无针注射器的模型建立是基于陈雪波对单孔无针注射模型的研究15，其研究得出单孔采用收缩角为20、长径比为1.4的无针注射微孔取得较好的出口速度.本文以此为基础得到多孔无针注射器的结构，如图1所示.微孔采用3孔结构，3孔分布如图2所示.为提高流量，需增大无针注射器安瓿的尺寸.方法有二，一是增加安瓿的直径，二是增大安瓿的长度.考虑注射时间和动能损失，选择增大安瓿的直径.单孔无针注射器的工作速度为150 m/s，通过仿真注射器的入口压力，使多微孔的针头的射流速度能达到150 m/s16.其中长径比为l/d，收缩角为，微孔直径为d，总长度图1 多孔无针注射器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of multi-hole needle-free injector182第 2 期刘国勇等：大剂量多孔无针注射器结构优化为L，收缩段长度为L2，分布圆直径d1采用德国市面上的一款无针注射器产品injex30的参数，同时为增加单次的注射剂量，安瓿直径为 5 mm，该安瓿内部各个尺寸如表1所示.建立无针注射器内部流场的三维模型如图3所示，并对其进行网格划分，划分的网格如图4所示，采用非结构化网格，收缩段及微孔处进行网格加密，并设置边界层.网格划分之后导入FLUENT.实际的无针注射过程中，射流流动是瞬态过程.为简化计算，可考虑某一时刻流动状态，选择基于压力-速度耦合的稳态求解器，采用VOF多相流模型，湍流模型选用标准-两方程湍流模型，边界条件设置为：入口压力为 10 MPa、11 MPa、12 MPa、13 MPa、14 MPa、15 MPa，出口为压力出口（出口为大气），算法采用默认的SIMPLE算法，采用入口初始化后进行迭代计算，迭代至残差曲线收敛.1.2 网格无关性验证数值模拟精度受网格的数量和质量及现有资源配置的影响，选择合适的网格数目计算具有重要意义.因此在数值计算之前，开展网格无关性检验.分别划分五种不同的网格方案，通过数值计算，以出口速度为参考，入口压力设为14 MPa，选取计算结果较为稳定的网格数.计算结果如表2所示.在网格大于23万时，出口速度仿真结果与最大网格数仿真结果偏差在0.1%以内，考虑计算准确性和计算机配置，选取方案3进行仿真.2 内部流场数值模拟分析不同入口压力（10 MPa、11 MPa、12 MPa、13 MPa、14 MPa、15 MPa）所对应的多孔内部流场.由图5可以看出：药液在收缩段加速，在出口处速度达到最大值.根据文献，出口速度超过150 m/s时药液可穿透皮肤层，到达皮下组织，从皮肤溢出量大大减少16.无