基于温度场分析的电子脐疗艾灸仪结构设计与优化

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艾灸是传统的中医外治疗法,在许多疾病的预防和治疗中具有神奇的疗效,但传统艾灸操作时存在耗费人力、污染环境、易灼伤皮肤等弊端,针对这些弊端,开始研制新型现代艾灸仪。现代艾灸仪为结合传统中医理论、计算机和传感器等多元化技术的现代医疗仪器,具有操作便捷、无污染、温度和时间可控、便携、轻量化等优点,被认为是新时代下传统艾灸的更新换代。本课题所研究的电子脐疗艾灸仪为基于传统隔药灸脐法(即脐疗)所设计的专门针对肚脐进行艾灸的现代艾灸仪器。本文的主要工作成果如下:1.基于热力学定律、热传递的基本理论和模型中的艾炷阴燃特性,利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对传统隔药灸脐模型进行温度场仿真,以得到艾柱燃烧过程中传统隔药灸脐模型各部分(包括艾柱、面碗和药粉)的温度分布情况,以及五个关键特征点(艾炷顶面中心点、艾炷中心点、艾炷底面中心点、面碗底面圆环半径中心点、药粉底面中心点)的温度曲线,为电子脐疗艾灸仪的结构设计和温度控制提供依据。2.通过以STM32F103C8T6为主控芯片的测温系统搭配K型热电偶探头对传统隔药灸脐模型进行实际测温实验,同时测量五个关键特征点的温度,并绘制相应的温度曲线。综合对比分析仿真与实验所得温度曲线,得到传统隔药灸脐模型中五个关键特征点的最终温度范围。3.以传统隔药灸脐模型温度场分析和测温实验得到的结果为依据,利用专业电子散热分析软件ANSYS Icepak对电子脐疗艾灸仪内部温度场和流场进行仿真,判断艾灸仪作用于皮肤表面的温度与传统隔药灸脐法是否一致、药饼的加热温度是否与艾柱阴燃时传统隔药灸脐模型的温度分布相近、盒体内温度是否符合电子元器件的正常工作温度范围、热量作用点是否集中、药物分子热气流利用率高低等问题。根据艾灸仪内部热环境的仿真结果,逐步对其进行结构优化设计,包括结构改进和材料优化。分别对优化后的艾灸仪进行仿真分析,最终的结果表明,优化后的电子脐疗艾灸仪温度场分布和流场分布均满足要求。
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