医用射流锥直型喷嘴流动特性仿真研究

(1.中国矿业大学 管理学院，江苏 徐州 221116； 2.哈尔滨工业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

引言

水刀是利用高压水射流进行冷态切割的设备，最先被应用于工业领域，主要用于切割金属、矿石等材料，直到1990年才真正用于临床手术。医用射流的工作原理与工业水刀类似，即使用压力装置将无菌生理盐水泵出，经过导管到达操作手柄，通过手柄上的细小喷嘴喷出，产生局部高压以切割组织。采用医用射流进行临床手术可对不同强度和韧性的组织结构进行选择性切割和精细分离，使得人体特定组织得到最大程度的保护；由于术后出血量少，患者恢复较快，故采用医用射流进行手术有传统手术方式不可比拟的优势。

目前我国关于医用水刀的研究尚处于初步阶段，成熟产品主要依赖于进口。医用射流工作压力远低于工业水刀，且由于人体不同组织所能承受的最大压力不同，进行不同类型手术的医用射流所需射流压力也不同，德国ERBE公司通过临床试验总结的多种临床手术所需喷射水流的压力值范围为0.8～6 MPa[1-2]。

1 医用水刀喷嘴研究现状分析

手术喷嘴的设计是医用水刀的核心部分，医用射流所需求的压力与工业水刀高达上百兆帕的压力相比要低得多。虽然我国有工业水刀的开发经验，然而对于医用射流的手术喷嘴却有着与工业水刀喷嘴截然不同的功能要求。

第一，射流水柱较细，目前比较成熟的医用射流如ERBE2采用的是0.12 mm的射流孔； 第二，医用射流喷嘴整体结构体积较小；第三，射流能量集中，尽量降低射流过程能量损失。简言之，就是说医用水刀喷嘴应满足性能优良、控制可靠、重量轻、尺寸小、操作灵活方便、易于消毒等条件。

赵雪巍[3]设计了针型医用射流喷嘴，根据流体能量损失、流速、流量与枪体结构的关系，设置射流部分参数，并通过在枪体内加过滤网、可更换堵塞的射流管、可调节的握柄，管嘴出流方式提高水刀喷嘴可靠性。

TOBIAS等[4]研究了一种混合型的医用射流，其兼有水刀和针刀的功能，用于内镜黏膜下层剥离手术。

这种水刀在原有金属手术刀的基础上增加了射流水刀，但仍未对水刀喷嘴进行技术研究。

2009年中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所[5]率先研制出了国内第一代样机，该样机分析水射流喷嘴直径、靶距、冲击角度、喷嘴横移速度以及水射流喷射压力设计一种平顶型式喷嘴，实现了水刀在高压时对组织进行切割，低压时对创面清洗，但该水刀喷嘴用于高压组织切割时效果不理想。

现有的医用射流研究处于世界领先地位的是德国ERBE公司生产的ERBEJET 2。临床实践证明其可以将柔软的组织分离，同时保留神经、血管等重要组织结构，主要应用于肝脏手术中。

本研究背景为腹腔手术中医用水刀的应用。腹腔手术中医用水刀主要用来切割肝脏组织和肾脏组织，它的压力要求为2.0～3.5 MPa。通过Fluent仿真分析研究了不同喷嘴结构、不同压力下的医用水刀流场压力场和速度场分布特性，旨在为医用水刀的设计和医用水刀压力的选择提供指导和理论依据。

2 医用射流喷嘴结构设计

医用射流喷嘴的设计中，医用水刀的喷嘴设计尤其重要，本研究设计的医用水刀主要实现在腔镜手中水射流对组织的切割分离功能，需水射流能量较为集中，冲击作用明显。从喷射的水束状态上，不同类型的喷嘴会得到不同的水束状态，进而产生不同的射流效果。根据水射流实际切割能力，结合工业水刀有关资料[6]，目前射流喷嘴结构主要有平顶型喷嘴和锥直型喷嘴两种，其结构示意图如图1所示。

图1 两种喷嘴结构示意图

两种喷嘴相关参数设置如表1所示。

表1 不同类别手术所需喷射水流压力值范围

喷嘴数值模拟采用Fluent软件，其可以针对不同状况下的流体流动情况设置不同离散方法和数值计算方法，较为准确的对流体域进行流场分析[7-8]。

对流体域内采用结构化网格划分，湍流模型采用系统设置的k-ε模型；入口设置为压力入口，压力分别设置为几组典型压力，出口压力设置为大气压；求解器采用非耦合隐式求解，其他均保持默认设置。图2为两种类型喷嘴在入口压力为5 MPa时动压等值线云图。

图2 平顶型喷嘴与锥直型喷嘴动压等值线图

从图2中可以看出，由于喷嘴结构不同，流体内部产生的压力等值线不同；平顶型喷嘴由于流道内径急剧收缩，局部阻力较大，生理盐水压力能损失较大，压力下降较快；锥直型喷嘴有一段收缩角为18°的收缩段，流体进入收缩段后产生收缩现象，原始压力平稳增大，且当射流进入圆柱段后动压较为平稳，轴向射流速度较大。图3为两种喷嘴在圆柱段动压对比曲线图。

图3 平顶型喷嘴与锥直型喷嘴动压对比图

对于不同的入口压力，平顶型喷嘴与锥直型喷嘴最大误差为13.25%和7.2%，而且锥直型喷嘴可以较好的跟随入口压力值变化，综上所述，具有收缩段和圆柱段的锥直型喷嘴更适合做医用射流的射流喷嘴。

医用射流在实际使用中，主要是利用高速射流产生的液体动压对组织进行切割。由于水流速度不同，因此可以在手术中有选择的切割实质组织而使血管、胆管、淋巴管及神经等特定组织得到最大的保护。故在医用射流设计中，应着重研究射流能量损失及其发散角。基于以上要求对喷嘴主要参数进行设计计算。

根据以往设计，取喷嘴内径d=0.2 mm，喷嘴面积Ac：

式中，d为喷嘴内径，mm；Ac为喷嘴过流面积，m2。

根据前苏联学者GPNioov[9-15]提出的锥直型形喷嘴设计原则：过渡段长度/喷嘴直径为2～4，本设计取长径比比值为4；过渡段长度L=0.2×4=0.8 mm。针对锥直型喷嘴以喷嘴入口压力为5 MPa，通过对不同锥角进行Fluent仿真，得到速度云图如图4所示。

以上9个速度云图，是喷嘴入口压力在5 MPa时，喷嘴锥角为5°～45°，依次以5°为增幅递增所得的速度云图。通过上图分析发现，当锥直型喷嘴锥角过大或者过小时，速度下降较快射流发散角较大，生理盐水能量损失较大。

图5是不同锥角下射流轴线上动压变化曲线图，研究发现，动压在射流轴线上有一个衰减过程，并且随着过渡锥角的增大，动压逐渐减小，但在15°到30°变化时，动压相差下降幅度较小。

图4 不同锥角下速度等值线图

图5 不同锥角下射流轴线上动压变化曲线图

图6是不同锥角下的射流径向速度变化曲线，即不同锥角下的射流速度在y轴截面上的速度分布情况。

图6 不同锥角下射流径向速度变化图

本研究还得到射流出口随锥角角度变化图，如图7所示。

图7 出口速度随锥角变化曲线

分析以上3图可以知道：图5可发现射流轴线上动压变化情况相似，均是在喷嘴出口动压变换不大，当射流距离喷嘴出口5 mm左右，进行较大幅度的衰减，但整体趋势并未因锥角改变而产生很大变化；图6可知射流轴线上的速度变化整体呈正态分布型曲线分布形式，且随角度增加分布函数的标准值增大，但当喷嘴锥角为30°时，标准值相对较小表明动压波动相对最为稳定；图7是喷嘴出口速度随锥角变化的拟合曲线，通过曲线可以得出射流在喷嘴出口速度随着锥角的增大而降低，但当喷嘴锥角为30°时，射流速度离散在曲线外出现较为明显的增加。通过以上信息交叉对比发现，锥直型喷嘴的锥角为30°时，喷嘴射流动压最为稳定，且能量损失少，故选定喷嘴锥角为30°。

综上，本设计医用射流喷嘴结构为喷嘴直径为0.2 mm，长径比为4，过渡段长度为0.8 mm，喷嘴锥角为30°。

3 医用射流喷嘴仿真分析

基于上述喷嘴模型进行Fluent仿真，依次设置压力为0.8，1，2，3，4，5 MPa下喷嘴射流的速度等值线图，如图8所示。

图8 不同压力下喷嘴速度等值线图

通过以上Fluent仿真分析得到该设计喷嘴轴线速度随压力入口变化曲线如图9所示。

图9 不同压力下喷嘴轴线动压变化曲线图

通过图9可知随着手术所需压力不同，喷嘴射流动压不同，且动压损失起始点距喷嘴口的距离也不同，故针对不同手术，本医用射流应切换不同喷杆，以保证水刀与手术位置有足够动压。

对设计的喷嘴进行仿真，得到该喷嘴出口水流速度随压力变化拟合曲线，如图10所示。

图10 喷嘴出口速度随压力变化曲线

图8是不同压力下喷嘴速度等值线图，观察图8可以看到射流高速区域随压力增加逐渐增大，结合图9和图10可以看出，喷嘴出口速度随压力增大而增大，并且随着入口压力增大射流速度增大变缓，流体沿程损失增加，速度增长率逐渐减小，反映在图10 中就是射流出口速度随入口压力增加整体随着压力增加函数斜率降低，增长曲线趋于平缓。该仿真结果表明，为获得良好的使用性能，水刀入口压力在允许范围内应尽量选取较高压力，此时高速流区域较大，水刀能量较为集中。

4 结论

(1) 射流出口速度曲线图表明射流出口速度随锥角增大逐渐增大，但当锥角为30°时射流能量更为集中，稳定性更好；结合原本已有的设计与理论基础得到医用射流喷嘴的最优结构，该方案设计的医用喷嘴可以提供极细的工作水射流，从而完成对组织的切割；

(2) 从本方案设计的不同压力下的医用射流喷嘴流场仿真结果中可以看出：射流高速区域随压力增加逐渐增大，在允许范围内选取较高的入口压力可以提高水刀性能，能更好完成手术任务。