劉國(guó)勇 ，李帆 ，李新月 ，陳雪波 ，朱冬梅

（1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.東風(fēng)本田汽車有限公司，湖北 武漢 430056）

目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用不銹鋼制成的注射針對(duì)人體進(jìn)行藥液注射.針頭的穿刺會(huì)引起劇烈的疼痛，且給藥時(shí)針頭侵入體內(nèi)，容易傳播病毒、細(xì)菌，傳播烈性傳染病，因此，對(duì)其消毒措施要求很高.此外，有針注射器多為一次性使用，后續(xù)的回收處理比較麻煩.所以無(wú)針注射方式越來(lái)越引起關(guān)注.

國(guó)外對(duì)無(wú)針注射的研究起步較早，早在1866年，法國(guó)科學(xué)家Béclard 首次提出了“無(wú)針注射”的概念.相較于傳統(tǒng)有針注射，無(wú)針注射方式具有藥效更好、疼痛感更輕等優(yōu)點(diǎn)，所以無(wú)針注射方式逐漸成為藥物注射、傳染病防治的最佳選擇［1-2］.Mohizin 等人分析了藥液注射介質(zhì)對(duì)微孔射流的滲透和分散影響機(jī)理，其研究表明：介質(zhì)的黏彈性、介質(zhì)間的界面類型和注射深度都影響了藥液的注射過(guò)程［3］.Rane 等人通過(guò)數(shù)值模擬，得到了流體的流變和微孔幾何形狀對(duì)射流特性的影響，同時(shí)將研究擴(kuò)展到非牛頓流體，認(rèn)為其流變特性可通過(guò)Carreau 模型進(jìn)行近似，還闡明了不同流變參數(shù)對(duì)射流特性的影響［4］.Na?kayama 等人通過(guò)CFD 模擬，分析了無(wú)針注射器的流場(chǎng)特性.通過(guò)移動(dòng)邊界方法模擬了藥液在安瓿內(nèi)部的流動(dòng)過(guò)程，并使用LES/VOF 方法對(duì)流體的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了建模［5］.Williams 等人通過(guò)使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)觀察來(lái)研究微孔的幾何形狀、流體黏度和黏性熱對(duì)射流過(guò)程的影響［6］.Schoubben 等人模擬計(jì)算了不同條件下的射流力、射流速度以及射流的持續(xù)時(shí)間，且將聚丙烯酰胺凝膠用于模擬皮膚軟組織，研究了不同注射劑量隨時(shí)間變化的射流過(guò)程［7］.Mohizin 及Rane 等人針對(duì)無(wú)針注射器的流場(chǎng)進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)和仿真結(jié)合的方式，分析了藥液黏度及驅(qū)動(dòng)壓力等參數(shù)對(duì)流場(chǎng)特性的影響［8-9］.Zeng 等人通過(guò)無(wú)針注射實(shí)驗(yàn)，定量分析了微孔直徑及注射體積對(duì)藥液分散過(guò)程的影響［10］.

反觀國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，雖然我國(guó)在無(wú)針注射技術(shù)這一領(lǐng)域起步相對(duì)較晚，但近些年來(lái)關(guān)于無(wú)針注射的項(xiàng)目工作也在陸續(xù)地展開.其中：陳波等人基于FLUENT 軟件對(duì)無(wú)針注射器的工作全過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了驅(qū)動(dòng)壓強(qiáng)與出口射流速度間的變化規(guī)律及藥液在皮膚內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程［11］.宋飛洋及陳添禹等人對(duì)無(wú)針注射進(jìn)行了仿真建模及實(shí)驗(yàn)研究，得到了無(wú)針注射器的幾何參數(shù)對(duì)射流特性、活塞桿受力等因素的影響［12-13］.

雖然關(guān)于無(wú)針注射方面的研究較多，但并沒有解決其單次注射劑量小的問(wèn)題，傳統(tǒng)單孔注射器單次注射劑量?jī)H0.3～0.5 mL［14］，這是限制無(wú)針注射推廣的主要原因，同時(shí)對(duì)其注射機(jī)理尚未形成完整的理論體系.本文旨在提出一種大劑量的多孔無(wú)針注射結(jié)構(gòu)，注射器的最大注射劑量可達(dá)5 mL，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為大劑量無(wú)針注射的設(shè)計(jì)及使用提供參考.

1 模型建立

1.1 無(wú)針注射器二維模型的建立

大劑量多孔無(wú)針注射器的模型建立是基于陳雪波對(duì)單孔無(wú)針注射模型的研究［15］，其研究得出單孔采用收縮角為20°、長(zhǎng)徑比為1.4 的無(wú)針注射微孔取得較好的出口速度.本文以此為基礎(chǔ)得到多孔無(wú)針注射器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 多孔無(wú)針注射器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of multi-hole needlefree injector

微孔采用3孔結(jié)構(gòu)，3孔分布如圖2所示.為提高流量，需增大無(wú)針注射器安瓿的尺寸.方法有二，一是增加安瓿的直徑，二是增大安瓿的長(zhǎng)度.考慮注射時(shí)間和動(dòng)能損失，選擇增大安瓿的直徑.單孔無(wú)針注射器的工作速度為150 m/s，通過(guò)仿真注射器的入口壓力，使多微孔的針頭的射流速度能達(dá)到150 m/s［16］.其中長(zhǎng)徑比為l/d，收縮角為α，微孔直徑為d，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，收縮段長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，分布圓直徑d1采用德國(guó)市面上的一款無(wú)針注射器產(chǎn)品injex30 的參數(shù)，同時(shí)為增加單次的注射劑量，安瓿直徑為 5 mm，該安瓿內(nèi)部各個(gè)尺寸如表1所示.

表1 多孔無(wú)針注射器內(nèi)部尺寸Tab.1 Internal dimensions of multi-hole needle-free injector

圖2 3孔分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of distribution of 3 holes

建立無(wú)針注射器內(nèi)部流場(chǎng)的三維模型如圖3 所示，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格如圖4 所示，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，收縮段及微孔處進(jìn)行網(wǎng)格加密，并設(shè)置邊界層.

圖3 注射器模型Fig.3 Model of the injector

圖4 注射器網(wǎng)格Fig.4 Grid of the injector

網(wǎng)格劃分之后導(dǎo)入FLUENT.實(shí)際的無(wú)針注射過(guò)程中，射流流動(dòng)是瞬態(tài)過(guò)程.為簡(jiǎn)化計(jì)算，可考慮某一時(shí)刻流動(dòng)狀態(tài)，選擇基于壓力-速度耦合的穩(wěn)態(tài)求解器，采用VOF 多相流模型，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程湍流模型，邊界條件設(shè)置為：入口壓力為 10 MPa、11 MPa、12 MPa、13 MPa、14 MPa、15 MPa，出口為壓力出口（出口為大氣），算法采用默認(rèn)的SIMPLE 算法，采用入口初始化后進(jìn)行迭代計(jì)算，迭代至殘差曲線收斂.

1.2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

數(shù)值模擬精度受網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量及現(xiàn)有資源配置的影響，選擇合適的網(wǎng)格數(shù)目計(jì)算具有重要意義.因此在數(shù)值計(jì)算之前，開展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn).分別劃分五種不同的網(wǎng)格方案，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，以出口速度為參考，入口壓力設(shè)為14 MPa，選取計(jì)算結(jié)果較為穩(wěn)定的網(wǎng)格數(shù).計(jì)算結(jié)果如表2 所示.在網(wǎng)格大于23 萬(wàn)時(shí)，出口速度仿真結(jié)果與最大網(wǎng)格數(shù)仿真結(jié)果偏差在0.1%以內(nèi)，考慮計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算機(jī)配置，選取方案3進(jìn)行仿真.

表2 三維模型網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Tab.2 Grid independence validation of 3D model

2 內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

分析不同入口壓力（10 MPa、11 MPa、12 MPa、13 MPa、14 MPa、15 MPa）所對(duì)應(yīng)的多孔內(nèi)部流場(chǎng).由圖5 可以看出：藥液在收縮段加速，在出口處速度達(dá)到最大值.

圖5 入口壓力為10 MPa下的速度云圖Fig.5 Velocity contour at inlet pressure of 10 MPa

根據(jù)文獻(xiàn)，出口速度超過(guò)150 m/s 時(shí)藥液可穿透皮膚層，到達(dá)皮下組織，從皮膚溢出量大大減少［16］.無(wú)針注射器的壓力為13 MPa 時(shí)，其平均速度達(dá)到了151.67 m/s，滿足注射要求.為保證注射過(guò)程的有效性，將其入口壓強(qiáng)定為不小于13 MPa，該高壓有助于藥液擊穿皮膚，方便后續(xù)的低速藥液進(jìn)入皮膚.

圖6 是不同入口壓力下出口速度最大值和均值的曲線圖.其速度均值是由出口處所有節(jié)點(diǎn)的速度經(jīng)平均得到的.由圖可知：出口速度隨入口壓力增大而增大，且最大速度和平均速度增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致.

圖6 不同入口壓力下的出口速度最大值和均值Fig.6 Maximum and mean values of outlet velocity at different inlet pressures

3 多孔無(wú)針注射器應(yīng)力分析

3.1 流固耦合模型

流固耦合分析的目的是：在較高的入口壓力下，觀察安瓿的應(yīng)力分布情況，通過(guò)調(diào)整安瓿的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低內(nèi)部的最大應(yīng)力，使其在重復(fù)工作中保持較高的安全系數(shù).利用ANSYS 上的Workbench 平臺(tái)進(jìn)行單向流固耦合.

安瓿的材料要求為密度小、無(wú)毒、溶水性低、耐腐蝕、無(wú)色透明、抗沖擊性強(qiáng)、可加工性好，據(jù)此可以選擇ABS樹脂作為安瓿的材料.根據(jù)文獻(xiàn)，測(cè)出的其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7 所示，其楊氏模量為2 ?109GPa，在Workbench 的材料庫(kù)添加該材料并編輯其物理屬性［17］.

圖7 ABS測(cè)試應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curve of ABS test

對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行計(jì)算，待計(jì)算收斂后將流場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入Static Structure 模塊進(jìn)行單向的耦合分析.邊界條件設(shè)置：安瓿和收縮段固定連接，在安瓿側(cè)面即抓握面施加固定約束，導(dǎo)入流場(chǎng)計(jì)算載荷進(jìn)行計(jì)算.

3.2 結(jié)果分析

計(jì)算13 MPa、14 MPa、15 MPa 這些常用壓強(qiáng)下的不同的安瓿直徑對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力，其結(jié)果見表3.

表3 不同安瓿直徑對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力 單位MPaTab.3 Maximum-equivalent stress of different ampoule di?ametersunit MPa

從表3 中可以看出，隨著安瓿直徑的增加，其最大等效應(yīng)力減?。浑S著入口壓力的增加，其最大等效應(yīng)力增加.ABS 的屈服應(yīng)力約為48.2 MPa，所以安瓿直徑最小為6.5 mm.考慮材料ABS 樹脂工作時(shí)受到?jīng)_擊載荷，有較大的危險(xiǎn)性，安全系數(shù)取3～5，則可算出當(dāng)安全系數(shù)為5 時(shí)，入口壓力為13 MPa、14 MPa、15 MPa 時(shí)對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力分別為7.7 MPa、8.28 MPa、8.88 MPa.計(jì)算符合該安全系數(shù)的最小安瓿直徑，首先做出不同入口壓力下最大等效應(yīng)力變化曲線如 圖8 所示，對(duì)圖8 中的曲線進(jìn)行6 次多項(xiàng)式擬合，擬合出的多項(xiàng)式分別為：

圖8 最大等效應(yīng)力隨安瓿直徑變化曲線Fig.8 Curves of maximum equivalent stress with ampoule diam?eter

根據(jù)擬合出的多項(xiàng)式，代入y得到許用應(yīng)力值為7.7 MPa、8.28 MPa、8.88 MPa，求得對(duì)應(yīng)入口壓力13 MPa、14 MPa、15 MPa 下安瓿的最小直徑x分別為11.2 mm、11.9 mm、12.2 mm.

4 無(wú)針注射器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)對(duì)大劑量無(wú)針注射器的流場(chǎng)仿真和流固耦合分析，得到了入口壓力對(duì)無(wú)針注射器出口速度的影響規(guī)律，以及對(duì)應(yīng)的大劑量無(wú)針注射器的最小外徑.下一步基于最小外徑11.9 mm 和驅(qū)動(dòng)壓力14 MPa，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，綜合考察各項(xiàng)參數(shù)對(duì)大劑量無(wú)針注射器的影響程度，設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)方案，進(jìn)一步通過(guò)流固耦合分析校核設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求.

4.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交法是一種廣泛使用的方法，采用正交試驗(yàn)法可以簡(jiǎn)單計(jì)算各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，通過(guò)圖表形式表現(xiàn)出來(lái)，再通過(guò)極差綜合比較，最后確定優(yōu)化參數(shù).在工藝參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中收縮段的收縮角、長(zhǎng)徑比、分布圓直徑、收縮段長(zhǎng)度和微孔直徑等設(shè)計(jì)變量的取值范圍相當(dāng)重要，關(guān)系參數(shù)優(yōu)化過(guò)程的搜索效率.基于陳雪波的仿真結(jié)果得到收縮角、長(zhǎng)徑比的大致范圍［15］，根據(jù)實(shí)際情況選擇分布圓直徑、收縮段長(zhǎng)度和微孔直徑.

1）收縮角α，根據(jù)陳雪波［15］的單孔仿真結(jié)果選取10°、15°、20°、25°四個(gè)值.

2）長(zhǎng)徑比l/d，根據(jù)陳雪波［15］的單孔仿真結(jié)果選取1、1.2、1.4、1.6四個(gè)值.

3）分布圓直徑d1（mm），考慮藥液噴射過(guò)程中較小的分布圓能使注射傷口相對(duì)聚集以及收縮段干涉問(wèn)題，選取2、2.2、2.4、2.6四個(gè)值.

4）收縮段長(zhǎng)度L2（mm），根據(jù)injex30產(chǎn)品的長(zhǎng)度在3.5～4.5 mm，選取3.9、4.05、4.2、4.35四個(gè)值.

5）微孔直徑d（mm），考慮較小的直徑能更好地集中壓力以達(dá)到更高速度，選取0.105、0.135、0.165、0.195四個(gè)值.

影響多孔無(wú)針注射器出口速度的主要因素為收縮角α、長(zhǎng)徑比l/d、分布圓直徑d1、收縮段長(zhǎng)度L2、微孔直徑d，并假設(shè)各因素之間不存在交互作用，選取4個(gè)水平，得到表4.

表4 影響出口速度指標(biāo)的因素與水平Tab.4 Factors and levels affecting outlet velocity index

根據(jù)因素及水平劃分，采用五因素四水平的正交試驗(yàn)矩陣，采用正交表L16（45），考核指標(biāo)為出口速度v，得到相應(yīng)的正交表.

在表5 中考察五因素四水平對(duì)出口速度的影響，所有不同的試驗(yàn)條件共有45個(gè).根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，安排16 組仿真試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是得到對(duì)出口速度影響最大的參數(shù)以及各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)出口速度影響優(yōu)先級(jí)，最后得出最佳參數(shù)組合.把各參數(shù)不同水平下實(shí)驗(yàn)結(jié)果均值的最大值和最小值之差稱為極差，極差越大對(duì)結(jié)果影響越大，反之，影響越小.從表中可以明顯看出各參數(shù)對(duì)指標(biāo)（出口速度）的影響大小，即：

表5 L16（45）無(wú)針注射器參數(shù)正交試驗(yàn)直觀分析表Tab.5 L16（45）data sheet of orthogonal test and results

通過(guò)極差分析可知：影響出口速度最主要的因素是收縮角和微孔直徑.根據(jù)文獻(xiàn)［18］，微孔直徑在0.039～0.559 mm，出口速度在180 m/s附近時(shí)，注射深度比較理想.考慮出口速度過(guò)大對(duì)皮膚的切割范圍會(huì)很大，患者的不適感會(huì)增加，所以最優(yōu)方案選擇A3B3C1D2E4，即選擇20°收縮角、1.4的長(zhǎng)徑比、2 mm 的分布圓直徑、4.05 mm 的收縮段長(zhǎng)度和0.195 mm 的微孔直徑.針對(duì)得到的方案，考慮較小的微孔直徑在切割皮膚過(guò)程中對(duì)人體的損傷更小，故選擇0.165 mm的微孔直徑.

4.2 無(wú)針注射器最優(yōu)參數(shù)應(yīng)力分析

根據(jù)正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)參數(shù)方案，如表6 所示，建立大劑量無(wú)針注射器的實(shí)體模型，如圖9所示.材料采用ABS 高強(qiáng)度樹脂，在Workbench 平臺(tái)材料庫(kù)中添加材料并設(shè)置材料屬性.對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行計(jì)算，待計(jì)算收斂后將流場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入Static Structure 模塊進(jìn)行單向的耦合分析，求解得到無(wú)針注射器的總變形云圖和等效應(yīng)力云圖分別如圖10和圖11所示.

圖9 無(wú)針注射器實(shí)體模型Fig.9 Entity model of needle-free injector

表6 大劑量無(wú)針注射器優(yōu)化參數(shù)表Tab.6 Optimal parameters of the large dose needle-free injector

從圖10 和圖11中可以看出，最大變形和最大應(yīng)力都出現(xiàn)在收縮段的入口處，且安瓿基本沒有任何變形和較大應(yīng)力.無(wú)針注射器工作過(guò)程中，薄壁結(jié)構(gòu)收縮段出口處流體有較大的壓力和速度變化，會(huì)對(duì)收縮段產(chǎn)生很大的壓力，導(dǎo)致在此處產(chǎn)生最大應(yīng)力.ABS 的屈服應(yīng)力為48.2 MPa［19］，無(wú)針注射器整體最大應(yīng)力為46 MPa，基本滿足ABS材料的要求，可以證明參數(shù)正交優(yōu)化結(jié)果的合理性.

圖10 無(wú)針注射器總變形云圖Fig.10 Total deformation contour of needle-free injector

圖11 無(wú)針注射器等效應(yīng)力云圖Fig.11 Equivalent stress contour of needle-free injector

5 優(yōu)化方案驗(yàn)證

通過(guò)3D打印和激光打孔加工技術(shù)得到與表6優(yōu)化結(jié)果尺寸參數(shù)一致的安瓿.通過(guò)高速相機(jī)和速度分析軟件進(jìn)行注射速度的采集及分析，同時(shí)通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性.

5.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如圖12 所示，將高速相機(jī)采集到的圖片序列導(dǎo)入速度分析軟件MicroVec3，同時(shí)考慮到實(shí)際的無(wú)針注射中皮膚與微孔的間距通常為2 mm 左右，則采集與微孔間距為0 mm、2 mm、5 mm、10 mm、15 mm 的各個(gè)截面上若干點(diǎn)的速度，再取平均值即可近似得到該截面的速度.

圖12 試驗(yàn)方案Fig.12 Test program

5.1.1 注射過(guò)程時(shí)間及速度的計(jì)算

注射過(guò)程的總時(shí)間，可以根據(jù)相機(jī)幀數(shù)及拍攝的有效圖片的張數(shù)得到，即式（4）：

在MicroVec3 軟件中，將已知的實(shí)際尺寸（此處選擇安瓿的外徑）作為參照尺寸，進(jìn)而確定圖像放大率（zoom rate），再通過(guò)高速相機(jī)的幀數(shù)得到跨幀時(shí)間（straddle time），速度放大率通過(guò)式（5）可獲得：

通過(guò)監(jiān)測(cè)同一點(diǎn)在一個(gè)跨幀時(shí)間內(nèi)的移動(dòng)距離，再通過(guò)式（6）即可得到整個(gè)注射過(guò)程各個(gè)點(diǎn)的速度值.

綜上，即可得到不同采集截面的平均速度隨注射時(shí)間的變化曲線，根據(jù)此曲線可得到整個(gè)注射過(guò)程的相關(guān)規(guī)律.

5.1.2 安瓿內(nèi)部停滯壓強(qiáng)的理論推導(dǎo)

5.1.2.1 藥液噴射過(guò)程分析

圖13 為無(wú)針注射器的簡(jiǎn)化模型，可以從動(dòng)能守恒的角度建立微分方程.

圖13 無(wú)針注射器簡(jiǎn)化模型Fig.13 Simplified model of needle-free injector

由于安瓿內(nèi)部藥液的速度遠(yuǎn)小于音速，可假設(shè)藥液為不可壓縮的無(wú)粘流體.令h=(L1-xp)，則安瓿內(nèi)部藥液的動(dòng)能T可表示為：

式中：ρ為藥液的密度；Ap為安瓿儲(chǔ)藥內(nèi)腔的截面面積；L1為藥液裝載的長(zhǎng)度；xp為活塞的位移.

由于藥液從出口射出而造成的動(dòng)能損失率可表示為：

式中：vout為出口速度；A0為安瓿出口截面面積.

由能量守恒可知，安瓿內(nèi)部動(dòng)能的變化率等于推桿對(duì)藥液做功的功率減去藥液從出口射出造成的動(dòng)能損失率，即：

式中：P為安瓿內(nèi)部的壓強(qiáng).

由流體的連續(xù)性方程可知：

將公式（10）代入公式（9）中，可得：

5.1.2.2 藥液推桿的受力分析

圖14 為藥液推桿的受力示意圖，根據(jù)牛頓第二定律可知：

圖14 藥液推桿受力示意圖Fig.14 Schematic of force for the rod

式中：Ap×p為藥液停滯壓強(qiáng)產(chǎn)生的阻力；mp為活塞桿的質(zhì)量；k為彈簧的剛度系數(shù)；x0為彈簧的總壓縮量.

忽略推桿與安瓿之間的摩擦，式（12）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化：

聯(lián)立式（11）、式（13）即得完整的無(wú)針注射器的動(dòng)力學(xué)方程：

5.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的無(wú)針注射裝置如圖15 所示，其主要由動(dòng)力源（彈簧）、安全鎖、連接件和安瓿組成.圖16即為安瓿端部的微孔，其收縮角為20°，孔徑為 0.165 mm.

圖15 無(wú)針注射裝置Fig.15 Device of needle-free injector

圖16 安瓿上的微孔Fig.16 Micro holes of the ampoule

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的高速相機(jī)的主要參數(shù)如下：相機(jī)型號(hào)為FASTCAM Nova S9，相機(jī)幀數(shù)為22 500.

5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.3.1 無(wú)針注射動(dòng)力學(xué)方程結(jié)果分析

無(wú)針注射整個(gè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程中所有已知的參數(shù)如表7所示.

表7 無(wú)針注射器動(dòng)力方程參數(shù)表Tab.7 Dynamic function parameters of the needle-free injector

將以上的已知參數(shù)代入式（14），通過(guò)龍格-庫(kù)塔方法，應(yīng)用MATLAB 即可進(jìn)行求解，結(jié)果如圖17所示.

圖17 安瓿內(nèi)部壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線Fig.17 Curve of internal pressure of the ampoule with time

圖17 即為整個(gè)注射過(guò)程中安瓿內(nèi)部停滯壓強(qiáng)的變化曲線.由圖可知，注射開始瞬間停滯壓強(qiáng)較大，為28.2 MPa，并呈振蕩衰減趨勢(shì)，在0.06 s時(shí)刻壓強(qiáng)穩(wěn)定在11 MPa，符合Shergold 等人的研究規(guī)律：安瓿內(nèi)部的停滯壓力由瞬間高峰，然后振蕩衰減［20］.由此可以認(rèn)為此壓強(qiáng)條件滿足試驗(yàn)需求.

5.3.2 無(wú)針注射時(shí)間及速度結(jié)果分析

高速相機(jī)拍攝的有效圖片張數(shù)為4 500，由式（4）即可得到整個(gè)注射過(guò)程的時(shí)間為0.106 s.以0.005 3 s為時(shí)間間隔，可以得到20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).但采集結(jié)果顯示，自0.090 1 s 時(shí)刻注射過(guò)程已不連續(xù)，如圖18 所示，故以0 s 至0.084 8 s 為參考時(shí)間段，共16 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).速度矢量方向如圖19 所示，速度處理結(jié)果如圖20所示.

圖18 0.090 1 s時(shí)刻注射情況Fig.18 Injection at 0.090 1 s

圖19 速度矢量圖Fig.19 Vector of the velocity

由圖20 可以得出：在同一時(shí)刻，由于空氣的摩擦阻力，平均速度隨著與微孔的水平間距增大而減??；在同一水平間距內(nèi)，平均速度隨著湍流充分發(fā)展而增大，在達(dá)到極值點(diǎn)后開始逐漸減小.同時(shí)在注射過(guò)程中，最大速度可以達(dá)到166.21 m/s.且在0～5 mm截面內(nèi)，速度可以維持在150～165 m/s 范圍內(nèi)，在允許的試驗(yàn)誤差內(nèi)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性.

圖20 平均速度隨注射時(shí)間變化曲線Fig.20 Curves of average velocity with injection time

6 結(jié)論

提出了一種新型的大劑量多孔無(wú)針注射器，通過(guò)ANSYS Workbench 仿真平臺(tái)得到了仿真結(jié)果.基于正交試驗(yàn)法對(duì)大劑量無(wú)針注射器的整體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，且通過(guò)試驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性.依據(jù)以上研究得到了以下結(jié)論：

1）不同直徑下的應(yīng)力變化規(guī)律.根據(jù)擬合出的多項(xiàng)式，在安全系數(shù)為5 的條件下，得出對(duì)應(yīng)入口壓力13 MPa、14 MPa、15 MPa 下安瓿的最小直徑分別為11.2 mm、11.9 mm、12.2 mm.

2）基于正交試驗(yàn)法對(duì)無(wú)針注射器多結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合優(yōu)化，得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案：20°收縮角、1.4 的長(zhǎng)徑比、2 mm 的分布圓直徑、4.05 mm 的收縮段長(zhǎng)度和0.165 mm 的微孔直徑，并且通過(guò)流固耦合驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性.

3）建立了大劑量無(wú)針注射器的動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)龍格-庫(kù)塔方法，得到了安瓿內(nèi)部壓強(qiáng)的數(shù)值解.結(jié)果顯示整個(gè)注射過(guò)程中安瓿內(nèi)部的壓強(qiáng)基本滿足實(shí)驗(yàn)需求，為無(wú)針注射試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ).

由無(wú)針注射試驗(yàn)得到了注射過(guò)程的基本規(guī)律：由于空氣的摩擦阻力等原因，注射速度隨著與微孔的水平間距增大而減小；同時(shí)隨著湍流充分發(fā)展而增大，在達(dá)到極值點(diǎn)后開始逐漸減小.同時(shí)也可以得到注射過(guò)程中的最大速度出現(xiàn)在湍流的充分發(fā)展階段，其值為166.21 m/s，且在距微孔0～5 mm 的截面內(nèi)注射速度可以維持在150～165 m/s，在允許的試驗(yàn)誤差內(nèi)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性.