无针注射器数值模拟和工作特性分析

　　0　引言

　　无针注射是指利用机械装置产生的瞬间高压,推动药剂(液体或冻干粉)经过一个微米级大小的喷嘴,形成高速射流,代替针头穿透皮肤进入皮下组织。无针注射具有无针痛、无交叉感染、使用方便等优点。

　　无针注射器是由Hingson等[1]在1937年研制的,1941年首次用于疫苗及胰岛素的注射中。此后无针注射器的研究和开发应用得到长足发展[2-4]。无针注射药液穿透皮肤深度主要取决于针孔直径和出口射流速度两个参数。这两个参数的实验研究和理论分析[5-8]以及无针注射器的流体力学数值研究[9]对无针注射器的性能改进和优化设计具有重要意义。本文利用CFD Fluent软件对无针注射器工作全过程进行流体力学计算模拟,并与实验结果比较,为新型无针注射器的研发和性能优化提供依据。

　　1无针注射器的计算模型

　　无针注射器内腔的几何结构如图1所示。无针注射器的注射药液体积一般为0·1~1·0ml,出口射流孔直径一般为100~200μm,出口射流速度大约为100~200m/s。流动雷诺数为10~100,可以认为是层流流动。不可压缩流体的连续性方程为

　　黏性不可压缩流体的Navier-Stokes方程为

　　式(1)、式(2)是不可压缩黏性流体流动的基本方程。其中体积力f可以不考虑。由于Navier-Stokes方程的非线性以及模型的特殊性,解析解基本不可能求得,数值模拟是研究无针注射流体动力学过程的重要手段。

　　2边界问题和求解过程

　　对注射器入口处的药液液面施加初始压强p0,射流出口的压强为大气压,利用有限体积法可求得注射器出口处在tn时刻的平均速度vnout,再根据连续性方程可得到入口处平均速度:

　　由于药液液面推进,压缩弹簧放松,使得药液的驱动压强减小。由入口平均速度vnin可以计算tn+1= tn+Δt时刻药液液面驱动压强值为

　　针筒内壁面的摩擦阻力与药液液面推进速度成正比,由新时刻药液驱动压强pn+1可以计算新时刻的药液推进速度vn+1in和出口射流速度vn+1out。重复计算,可以得出注射器药液驱动压强和出口射流速度随时间变化的曲线图。

3　数值算例及结果分析

　　工作介质为水,注射腔长度L =28mm、直径d1=5mm,射流口孔径d2=152μm;液体的密度ρ=1000kg/m3、运动黏度ν=1·003mm2/s。无针注射器的计算网格如图2所示,共有4500个四边形单元、5566个节点。由于注射器边壁和出口处的压强和速度变化非常大,因此,需对网格进行充分细化,以保证计算精度。

　　随着药液的推进,压缩弹簧放松,驱动压强迅速下降,药液推进速度和出口射流速度也快速衰减。三组不同射流速度条件下的药物驱动压强及出口射流速度衰减过程如图3~图8所示。图3、图4中出口最大速度为100m/s,图5、图6中出口最大速度为150m/s,图7、图8出口最大速度为200m/s。