微尺度雾化芯片的实验及数值模拟研究

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肺部吸入给药是通过特定装置将药物递送到肺部,以治疗呼吸道疾病或经肺吸收进入血液循环后治疗靶向部位。给药装置作为影响药物递送和肺沉积的关键因素,有很可观的研究价值和必要。Respimat?Soft Mist TM作为一种较新开发的喷雾吸入器,区别于传统雾化器、定量吸入器和干粉吸入器,这种新型的雾化吸入器能产生持续时间较长、速度相对缓慢且细颗粒含量高的气溶胶。如能够获得装置所产生气溶胶的部分原始参数以及装置的几何设计参数对雾化的影响规律,可为喷雾吸入装置的仿制开发和改良优化提供较大的帮助。本文通过搭建激光高速摄像实验平台和提出有效处理方法,以及设计激光粒度仪实验装置测得了Respimat?Soft Mist TM的几何形态和粒径分布等关键参数,同时验证了装置喷雾重复均匀及细颗粒率高等性质。本文还通过计算流体力学模拟(Computational Fluid Dynamics),采用流体体积函数(VOF,Volume of Fluid Method)方法,耦合SST k-ω湍流模型,对装置的关键几何参数对于雾化的影响进行了仿真研究,得到部分参数对喷雾速度分布及几何形态的影响,以及对汇聚射流所形成液膜扰动的影响,雾角会直接受液流速度影响,变化趋势相反,微尺度下液膜波动与破碎不受速度影响,而受射流撞击角度、预喷射流长度、射流直径以及环境气体和压力的影响。对于将来新型芯片的开发,需要结合速度与雾角关系以及液流雾化破碎和芯片几何参数的关系,从而设计出能够产生最适合患者吸入的软雾云的雾化芯片。
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