馬 娜， 陳 瑋

（1.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院， 北京 100859； 2.軍事醫(yī)學(xué)研究院科研保障中心， 北京 100850）

0 引言

生物氣溶膠[1，2]是指懸浮于氣體介質(zhì)中粒徑在0.001～100μm 以?xún)?nèi)的含有微生物的固態(tài)或液態(tài)小粒子形成的相對(duì)穩(wěn)定的分散體系，對(duì)氣候變化、人類(lèi)健康等方面有重要影響。目前捕獲取樣技術(shù)是生物氣溶膠含量評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，其核心部分[3]采樣器的設(shè)計(jì)和選擇是開(kāi)展生物氣溶膠研究的必要工具。 本文設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)形式的用于特定試驗(yàn)條件下的氣溶膠微生物顆粒采樣器， 借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）技術(shù)對(duì)采樣氣流進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，通過(guò)對(duì)其對(duì)比分析，探究采樣器整體尺寸與所開(kāi)氣孔對(duì)采樣氣體流場(chǎng)的影響因素， 進(jìn)而指導(dǎo)解決采樣器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品概念、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全部過(guò)程計(jì)算機(jī)化，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期[4]。

近年來(lái)，借助CFD 進(jìn)行設(shè)計(jì)階段流體模型仿真，可在圖紙加工前分析結(jié)構(gòu)性能， 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本文使用的ANSYS-CFX 軟件是一款重要的CFD 軟件，通過(guò)ANSYSCFX 仿真分析可以在短時(shí)間內(nèi)模擬氣體流場(chǎng)變化情況，改變采樣器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，獲得更好的結(jié)構(gòu)性能。 CFD 仿真分析流程主要包含前處理、 模型計(jì)算以及后處理等三個(gè)階段[5，6]，在前處理階段主要是利用PROE 等三維軟件對(duì)采樣器圓柱形管芯進(jìn)行三維建模； 建模完成后導(dǎo)入到ANSYS 中， 利用ANSYS-CFX 仿真分析軟件構(gòu)建流體域模型并完成模型網(wǎng)格劃分， 通過(guò)分析計(jì)算找出采樣流體在速度和湍流動(dòng)能分布大小方面的不同點(diǎn)以及滿(mǎn)足采樣氣體流量的外尺寸長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。

1 采樣器工作原理

本文設(shè)計(jì)的微型生物顆粒采樣器是通過(guò)濾膜過(guò)濾法進(jìn)行采樣，使微生物粒子阻留在濾材上[7]。 濾芯采用中空?qǐng)A柱體金屬管芯，濾膜為U 形不溶性PTFE 膜，將濾膜套裝在圓柱體管芯上，進(jìn)而形成柱面形過(guò)濾采樣器。

2 采樣器固體域和流體域模型的建立

本文設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)形式的微生物采樣器并進(jìn)行仿真分析。 圖1 為直徑2.5mm、有效采樣長(zhǎng)度15mm 的采樣器圓柱形管芯，圖2 為直徑4mm、有效采樣長(zhǎng)度15mm 的采樣器圓柱形管芯，圖3 為直徑2.5mm 帶外殼采樣器，有效采樣長(zhǎng)度15mm 的采樣器內(nèi)圓柱形管芯。 其中，圖1 和圖2 只是尺寸上的差異，圖3 濾膜外屏蔽有保護(hù)殼，只能通過(guò)前端進(jìn)氣口對(duì)環(huán)境采樣，濾膜對(duì)采樣環(huán)境是隔離的。

圖1 直徑2.5mm 采樣器Fig.1 2.5mm diameter sampler

圖2 直徑4mm 采樣器Fig.2 4mm diameter sampler

圖3 直徑2.5mm 帶外殼采樣器Fig.3 2.5mm diameter samplerwith shell

2.1 模型網(wǎng)格劃分和域?qū)傩栽O(shè)置

網(wǎng)格劃分完成后，圖4 采樣器整個(gè)流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為193025 個(gè)，單元總數(shù)為1028377 個(gè)；圖5 采樣器整個(gè)流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為160188 個(gè)，單元總數(shù)為885013 個(gè)；圖6采樣器整個(gè)流道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為237124 個(gè)，單元總數(shù)為1233110 個(gè)；計(jì)算基于不可壓縮的連續(xù)方程和N-S 方程，湍流計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型。 邊界條件：在進(jìn)口面上根據(jù)流量給定速度條件， 采樣器入口氣流流速和試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)氣流平均流速相同，氣流速度1m/s，并假定速度垂直于進(jìn)口面；出口邊界條件為自由流出。

圖4 直徑2.5mm 采樣器全流道模型Fig.4 Full-flow channel model of 2.5mm diameter sampler

圖5 直徑4mm 采樣器全流道模型Fig.5 Full-flow channel model of 4mm diameter sampler

圖6 直徑2.5mm 帶外殼采樣器全流道模型Fig.6 Full-flow channel model of 2.5mm diameter samplerwith shell

2.2 三種模型的流場(chǎng)對(duì)比分析

計(jì)算結(jié)果收斂之后，在ANSYS-CFX 后處理平臺(tái)CFDPOST 對(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，采樣器分析云圖如圖7～圖9 所示。

圖7 直徑2.5mm 采樣器全流道流速分布圖Fig.7 Velocity distribution diagram of the full flow channel of a 2.5mm diameter sampler

圖8 直徑4mm 采樣器全流道流速分布圖Fig.8 Velocity distribution diagram of the full flow channel of a 4mm diameter sampler

圖9 直徑2.5mm 帶外殼采樣器全流道流速分布圖Fig.9 Velocity distribution diagram of the full flow channel of the 2.5mm diameter sampler with shell

3 結(jié)論

2.5mm 采樣器圓柱形管芯與直徑4mm 采樣器圓柱形管芯沿柱面采樣進(jìn)氣孔各位置氣流速度基本一致，滿(mǎn)足等速采樣要求， 是一種切實(shí)可行的減小采樣器尺寸的采樣方法。

圖7～圖9 壓力云圖中顯示，直徑2.5mm 采樣器圓柱形管芯與直徑4mm 采樣器圓柱形管芯氣流參數(shù)分布較好，梯度變化小，消耗能量較少；直徑2.5mm 帶外殼采樣器進(jìn)氣口端氣流參數(shù)分布較差，梯度變化大，產(chǎn)生湍流直接影響到流場(chǎng)基本特征，不能滿(mǎn)足本試驗(yàn)生物氣溶膠采樣所需條件。

不帶外殼的直徑2.5mm 和4mm 采樣器圓柱形管芯可進(jìn)一步改進(jìn)加工工藝，優(yōu)化成型；直徑2.5mm 帶外殼采樣器需多組件成型加工，進(jìn)氣端采樣流速變化明顯，采樣管柱面難以實(shí)現(xiàn)均勻流速采樣， 僅適用于要求采集樣品隔離采樣環(huán)境而對(duì)環(huán)境采樣無(wú)層流要求的場(chǎng)所。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以?xún)煞N結(jié)構(gòu)形式、 三種典型規(guī)格的采樣器為研究對(duì)象，以選型優(yōu)化一種結(jié)構(gòu)形式采樣器設(shè)計(jì)方向?yàn)橹饕康?，以?jì)算流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以數(shù)值模擬分析方法為解決手段，通過(guò)采用三維數(shù)值模擬仿真的方法對(duì)采樣器圓柱形管芯流場(chǎng)的氣體流動(dòng)的跡線(xiàn)圖、 速度與湍流動(dòng)能分布情況進(jìn)行了分析，進(jìn)而明確了試驗(yàn)環(huán)境取樣所需采樣器結(jié)構(gòu)形式，提出了改進(jìn)方案，為其進(jìn)一步試驗(yàn)定型、篩選提供了指導(dǎo)，節(jié)省了人力、物力和時(shí)間。