自动腹膜透析机气路系统复杂腔体的设计

【作 者】全晓亮江苏自动化研究所，连云港市，222002

自动腹膜透析机气路系统复杂腔体的设计

【作 者】全晓亮江苏自动化研究所，连云港市，222002

针对自动腹膜透析机复杂腔体结构设计技术匮乏等问题，以流量特性研究为目标，以k-ε湍流模型为流体力学理论基础，应用ANSYS CFX 软件对腹膜透析机气压分配模块进行分析研究，将该模块的复杂腔体结构建模后导入ANSYS CFX模块后，对模型内部流场进行数值模拟和仿真，得出复杂腔体在设计工况下的内部流场分布以及流量特性参数，为自动腹膜透析机复杂腔体结构设计提供了重要的参考。

自动腹膜透析机；流量特性；ANSYS CFX；复杂腔体

0 引言

自动腹膜透析机是一种适用于肾脏病患者的腹膜透析治疗设备，其主要原理是利用气压作用于薄膜，推动薄膜另一侧液体流动，从而实现了对液体非接触式的定向驱动。从结构上，它由气压分配模块、气压激发模块和控制系统组成。其中气压分配模块是气压发生和控制的模块，可以将单一压力源划分成多个支路压力源并控制其输出。

划分压力源的主要构件是一个复杂腔体，国内外将复杂腔体作为气路控制单元的应用比较少，对复杂腔体的研究主要集中在腔体中的气流的振动特性和声学特性。Hemon P等[1]使用流体动力学软件CFX对气体在腔体中流动时的状态进行仿真，分析了气流在腔体中的振动特性。Ronneberger P[2]采用一维平面波分析法和三维有限元数值分析法研究了腔体内气流的共振特性。杜江[3]采用实验测试、理论计算和数值模拟相结合的手段，对复杂结构腔体的气动声学特性进行深入研究。

本文以流体力学k-ε湍流模型理论为基础，选用ANSYS CFX作为气路仿真设计软件，分析气压分配模块在设计工况下的内部流场分布以及流量特性，并将仿真结果作为气路系统设计的重要参考。

1 自动腹膜透析机气路系统复杂腔体

自动腹膜透析机气路系统即气压分配模块，主要由气泵、电磁阀、储气罐和复杂腔体组成，见图1。

图1 自动腹膜透析机气压分配模块结构图Fig.1 Structure diagram of pressure distribution module of APD

复杂腔体是该模块的核心部件，其内部通道布局主要依据自动腹膜透析机气路原理图。图2为根据高正压、低正压和负压通路使用需求设计的复杂腔体内部结构图。从结构上，它主要由纵横交错的细长气体通道构成。实际上，其设计过程比较复杂，既要考虑实现压力分配功能，还要考虑气路结构和气路布局，尤其是气路的结构。实验表明管道过于细长会使复杂腔体在运行过程中产生啸叫噪音或者运行速度慢等问题[4-7]，管道太粗又不利于亚克力材料无缝焊接。

图2 复杂腔体内部结构图Fig.2 Complex cavity structure model

2 计算模型

2.1 物理模型

本文在NX软件中建立复杂腔体的三维模型，该模型不仅包含了气路内部的所有特征，并且表征了气路与电磁阀的联通关系。电磁阀是一个腔体结构，内部空间小而且结构复杂，不利于三维建模和网格划分。但是由于其通道线程较小，对整个气路的流量特性影响较弱。为了得到流体模型的计算结果，将电磁阀结构简化为一段弧形管道（图3）。电磁阀弧形管道的截面尺寸由Cv值确定，Cv值计算公式[8-9]：

其中，v是流量，单位：L/min；

P1是入口压力，单位：kPa；

P2是出口压力，单位：kPa；

SG是重力参数；

T是温度，单位：℃；

图3 电磁阀模型简化Fig.3 Simplificated model of solenoid valve

2.2 流场模型

本文以气路系统的高正压通路为例，模拟内部流场特性，高正压通路气路模型如图4所示。

图4 高正压通路气路模型Fig.4 High pressurized gas line path model

将模型导入到ANSYS WORKBENCH软件CFX模块，为便于截面选择，需预先标记入口边界面inlet，出口边界面outlet及流体域边界wall面。网格划分采用混合六面体网格，网格间距设为1。

气泵充气时，由于复杂腔体内部通道的阻流作用，流体湍动能耗散，气泵输出流量下降，本文选择k-ε模型作为该流场模型的分析方法。k-ε模型是一种将速度与长度分开求解的传输模型，适用于大多数的工程湍流模型，其中k为湍动能，定义为速度波动的变化量，其单位为m2/s2。ε为湍动能耗散，即指速度波动耗散的速率，其单位是单位时间的湍动能，为m2/s3。为了提高模型的收敛性和准确性，设定壁面函数为scalable，且壁面对流体的影响为无滑移，并设定壁面粗糙度为Smooth Wall[10-12]。

2.3 边界条件设置

设定入口边界条件：假定气流在进入复杂腔体前通过了一段充分长的气管，已发展为紊流状态，流速恒定且为轴向分布，即入口为等速质量流，方向垂直于边界，湍流强度为5%（中等湍流强度）；出口设置为Static Pressure，其值为0。

3 复杂腔体计算结果及内部流场分析

CFX计算完成后，在后处理中可以查看复杂腔体内部流场是否均匀以及内部是否产生漩涡等现象。

3.1 复杂腔体内部流场状态

从仿真结果可以看出，复杂腔体内部流场状态基本良好。当通道截面尺寸不变时，气体流速不变；当截面尺寸变小时，流速增大，气体流经电磁阀时流速最大，见图5；当气路通道的方向发生直角变化时，由于采用了圆弧过渡，气流过渡平稳，流速基本不变。

3.2 复杂腔体内部压力分布

复杂腔体内部压力即流体域内部气压，是流体状态的重要参数。在流体域内，由于流体与腔体壁面的剧烈作用，气压发生急剧变化，空气的振动产生了噪音。另外，压力的骤损极大地削弱了腔体结构的压力输出，也会降低气泵和储气罐的使用性能。工程上，用流体域的压力云图分析腔体结构设计的合理性。图6是复杂腔体内部压力云图，从图中得知，流体域入口处压力最大，流体经过电磁阀通道时压力会降低。但总体而言腔体内部压力值变化比较均匀，没有发生突变，基本满足复杂腔体的工作状态。

图5 气路局部流场图Fig.5 Local flow diagram of gas path

图6 复杂腔体内部压力云图Fig.6 Cloud chart of internal pressure of the complex chamber

4 复杂腔体流量特性验证与预测

4.1 流量特性验证

为确认仿真计算的准确性，以入口压力和出口流量作为监测对象并设计试验方法进行验证。在试验中，使用气压计监测入口的压力；在出口处接入流量计，获取复杂腔体的流量输出值。结果发现，在试验开始时，未出现气流呼啸的噪音；另外，最初流量值升高速度较快，在8 s左右达到2 L/min，随后数值缓慢上升；20 s后流量值稳定，此时气泵的出口压力显示为15.94 kPa，输出流量值为2.2 L/min。

在仿真模型中，分别设定不同流量的9种工况，从1.4 L/mim至3 L/min等差选择9组流量值，出口压力值均设定为0。CFX仿真计算完成后，在CFX-Post后处理查看入口压力值，并绘制压强流量P-V曲线（见图7），该曲线与真空泵的性能曲线的交点对应的压力和流量值分别为17.5 kPa和2.4 L/min。

图7 压强流量曲线Fig.7 Pressure flow curve

比较数据结果，数值模拟的压力值与试验下的相对误差为9.79%，流量值的相对误差为4.89%。相对误差均小于10%，符合工程实际应用。综合本文试验的方法和仿真分析过程，产生误差的原因可能是：

（1）实验中，在气路出口增设了流量计，对气流有阻滞作用，亦即实验中的出口压力高于标准大气压，压差降低致使流量偏低。

（2）仿真模型中存在一些理想化的条件，如气体为25 ℃下的空气。

结合以上实验影响因素，使用CFX流量仿真能比较准确地模拟复杂腔体的流量压强特性。

4.2 输出流量预测

本文还应用了气罐作为补气设备，其特点是响应速度快，流量输出相对较大。 自动腹膜透析机一次运作时间大约为300 ms，在这段时间内有18 mL左右的液体进入人体或者排出体外，对应于气路系统则需在300 ms内向密闭容器充入18 mL气体，此时输出流量平均值为3.6 L/min，以此为依据设定储气罐的最低压强。

在仿真模型中，分别设定入口压力为35 kPa、40 kPa、45 kPa和50 kPa，出口压力为0。CFX计算完成后，进入后处理界面，在Function Calculator中查看出口的质量流速。将质量流速换算成截面流量后绘制该气路模型的压强与流量的关系，见图8。从图8可以看出，气罐内气体压强越大，瞬时输出流量值逐渐增大并且几乎呈线性变换。若要求输出流量值为3.6 L/min，取安全系数为1.2，得出储气罐的输出流量值为4.3 L/min，此时需设定储气罐的压强至少为43.8 kPa。为了保证系统运行的稳定性，高正压储气罐的设定值为50 kPa。

图8 流量压强曲线Fig.8 Flow pressure curve

5 复杂腔体应用效果

本文以气路系统复杂腔体为研究目标，突破了气压激发流体控制技术。以此为基础，设计了自动腹膜透析机。该产品先后通过了江苏省医疗器械检验所检验和认证，并在北京大学人民医院、中南大学湘雅二医院等全国6家知名三甲医院完成了临床试验。国内共100余名专家教授及医护人员参加，入组完成84例受试者。期间设备运行稳定可靠，无一例临床试验不良事件发生，为国产自动腹膜透析机树立了良好的品牌形象。图9是复杂腔体实物图，图10是自动腹膜透析机运行图。

图9 复杂腔体装配组件Fig.9 Assembly of complex cavity module

6 总结

建立自动腹膜透析机气压分配模块分析模型，将电磁阀、气泵、储气罐和复杂腔体模型化，在数值计算和仿真的基础上，得出电磁阀等部件的选型参数和模块的流量特性，不仅为气路选型设计提供了重要的设计参考，还能够有效缩短气压分配模块的设计时间以及研发成本。

基于CFX软件采用k-ε湍流模型对复杂腔体进行气路仿真，模拟复杂腔体在气泵充入大量气体时，气体入口的流量与压强的关系，并设计试验与仿真结果进行比较，通过数据分析，试验结果与仿真结果误差较小，验证了利用CFX软件仿真复杂腔体内部流场的可行性。同时通过模拟计算不同入口压力状态下复杂腔体的流量输出值，确定储气罐初始压力值的设计值。

图10 自动腹膜透析机Fig.10 Automated peritoneal dialysis machine

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Design of Complex Cavity Structure in Air Route System of Automated Peritoneal Dialysis Machine

【 Writer 】QUAN Xiaoliang Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang, 222002

APD, flow characteristics, ANSYS CFX, complex cavities

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.04.009

1671-7104(2017)04-0267-04

2016-12-06

本项目受国家自然基金（61305050）；国家863课题（2015AA043102）

全晓亮, E-mail: xiaoliang6174@163.com

【 Abstract 】This paper introduced problems about Automated Peritoneal Dialysis machine(APD) that the lack of technical issues such as the structural design of the complex cavities. To study the flow characteristics of this special structure, the application of ANSYS CFX software is used with k-ε turbulence model as the theoretical basis of fluid mechanics. The numerical simulation of flow field simulation result in the internal model can be gotten after the complex structure model is imported into ANSYS CFX module. Then, it will present the distribution of complex cavities inside the flow field and the flow characteristics parameter, which will provide an important reference design for APD design.