（机械设计及理论专业论文）基于喷射理论的无针注射系统建模及实验研究.pdf

摘要无针注射给药，是一种利用高压将液体药物加速至一定的速度，药物穿透皮肤外层递送至皮下、肌肉或黏膜部位，并在特定组织层释放，发挥药效的新型给药方式。无针注射技术涉及到了药剂学、药理学、物理学、数控机电加工技术等多个学科。高压高速的微小孔喷射在瞬时穿透人体皮肤的穿渗效果是无针注射给药系统中的关键问题。本文通过理论分析对微小孔的喷射过程进行了理论分析、建模仿真并通过进行验证，所作的工作对产品设计具有理论的指导意义。本文主要研究内容：第一，论述了选题的背景和意义，介绍了与微小孔喷射相关的轴对称射流、微尺度效应及流动显示技术的现状和发展。第二，介绍了f l u e n t 软件的特点及仿真流程，数值模拟方法的分类，以及f l u e n t 使用的有限体积法的基本原理。介绍了无针注射装置的结构及相关参数的测定，分析了注射过程的几个阶段，对注射过程进行简化，列出相关的控制方程，并进行仿真。同时通过仿真探讨了安瓿瓶内喷嘴结构不同对喷射效果的影响。第三，介绍了p i v 、l d a 及高速摄像机实验的过程，相关设备的组成结构及设备测定的原理，实验方案的设计，同时得到测试后的原始数据，对数据进行初步分析。第四，介绍了对p i v 及l d a 实验原始数据的处理过程，提取原始数据中的有效部分，编写m a t l a b 数据处理程序进行处理分析。第五，将建模仿真与实验进行比较，两者结果较为符合，分析了建模仿真存在的问题，并提出了改进意见。关键词：微孔射流；计算流体力学；无针注射；激光多普勒测速；粒子图像测速a bs t r a c tn e e d l e f r e ei n j e c t i o nd r u gd e l i v e r y , i san e wm e t h o dw h i c ha c c e l e r a t e sl i q u i dd r u gt oac e r t a i nv e l o c i t yt op e n e t r a t et h eo u t e rl a y e ro ft h es k i n ，r e a c h e sh y p o d e r m ，m u s c l eo rm u c o u sm e m b r a n es i t ea n dr e l e a s e si np a r t i c u l a ro r g a n i z a t i o n ，a n ds h o w st h ee f f i c a c yo ft h ed r u g n e e d l e - f r e ei n j e c t i o nt e c h n o l o g yh a sr e l a t i o n s h i pw i t ht h ep h a r m a c y , p h a r m a c o l o g y , p h y s i c s ，n ce l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a lt e c h n o l o g y , a n do t h e rs u b j e c t s p e n e t r a t i n gt h eh u m a ns k i ni nh i g h - v o l t a g eh i g h - s p e e dt h r o u g hat i n yh o l ei n s t a n t a n e o u s l yi st h ek e yp r o b l e mo fn e e d l e - f r e ei n j e c t i o nd r u gd e l i v e r ys y s t e m i nt h i sp a p e r , t h em i c r o h o l eje t t i n gi sv e r i f i e dt h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，m o d e l i n ga n de x p e r i m e n t ，t h i sw o r kh a sat h e o r e t i c a lg u i d a n c ev a l u et ot h ed e s i g no fp r o d u c t t h i sp a p e ri ss u m m e r i z e da sf o l l o w s ：f i r s t ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p i ca l ed i s c u s s e d t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fa x i s y m m e t r i cj e t , m i c r o s c a l ee f f e c t so ff l o wv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya s s o c i a t e dw i t hm i c r o h o l eje ta r ei n t r o d u c e d s e c o n d ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l u e n ts o f t w a r e ，t h es i m u l m i o np r o c e s s ，s e v e r a lk i n d so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sa n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so ff i n i t ee l e m e n ta r ei n t r o d u c e d t h en e e d l e - f r e ei n j e c t i o ns y s t e ma n dt h er e l e v a n tp a r a m e t e r so fs t r u c t u r ea r ec o n c l u d e da sw e l l s e v e r a ls t a g e so ft h ei n j e c tp r o c e s sa r ea n a l y z e d t h ei n j e c tp r o c e s si ss i m p l i f i e d t h er e l e v a n tc o n t r o le q u a t i o ni sl i s t e da n ds i m u l a t e d a tt h es a m et i m e ，t h ed i f f e r e n te f f e c t so fj e to nt h ea m p o u l eb o t t l en o z z l es t r u c t u r ea r ed i s c u s s e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n t h i r d ，p i v ，l d aa n dh i g h s p e e dc a m e r a s ，t h es t r u c t u r eo ft h er e l a t e de q u i p m e n t ，t h ep r i n c i p l eo ft h ee q u i p m e n ta n dt h ed e s i g no ft h ee x p e r i m e n ta r ei n t r o d u c e d a tt h es a m et i m et h er a wd a t ao ft e s ta r eg o t t e na n dap r e l i m i n a r ya n a l y s i so ft h ed a t ai sc o n d u c t e d f o u r t h ，t h er a wd a t ap r o c e s s i n go fp i va n dl d aa r ei n t r o d u c e d ，t h ee f f e c t i v ep a r to ft h er a wd a t ai se x t r a c t e d ，m a t l a bd a t a - p r o c e s s i n gp r o c e d u r e sa lec o m p i l e df o rd e a l i n gw i t ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fd a t a f i f t h ，w ec o m p a r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm o d e l i n ga n de x p e r i m e n t ，a n df i n dt h es i m u l a t i o nh a sag o o dr e s u l t sc o m p a r i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a w ea n a l y z et h ep r o b l e m so ft h em o d e l i n ga n dm a d ei m p r o v e m e n t 1 1k e yw o r d s ：m i c r oj e t ；c f d ；n e e d l e - f r e ei n j e c t i o n ；l d a ；p i v独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：主l 屯签字日期：。髟年月勺日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)、学位论文作者签名：倥l导师签名：签字日期：0g 年多月日签字只期：年学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：电话：邮编：6 艮c ，日第一章绪论第一章绪论弟一早三百下匕【摘要】本章论述了选题的背景及意义；介绍了流体力学的研究方法、自由喷射流的特性、轴对称射流的研究进展、微孔射流的特殊性和流动显示技术的现状；结合选题要求，阐述了本文的主要研究上作。1 1 研究背景及意义【1 】无针注射给药系统又称无针注射剂或无针注射装置，是指以物理学、物理化学、分析化学、药剂学、药理学、药物代谢动力学、生物药剂学等学科理论为基础，综合运用计算机设计、数控机电加工技术、物理化工技术和药剂成型技术，设计研制无针头射流喷射给药新器械、新技术，利用此项新技术，针对皮内、皮下、黏膜或创口部位给药，形成不使用传统注射器针头的新的注射方法【2 j 。射流是指从各种排泄口射出或靠机械推动流入周围另一流体域内的一股运动流体，它是工程实际中广泛存在的一种流动现象。1 按流动型态可以分为层流射流和湍流射流，工程应用问题多为湍流射流。2 按射流的物理性质可分为不可压缩射流( 如水射流) 和可压缩射流( 如高速气体射流) ；等密度射流和变密度射流。3 按射流的断面形状可以分为平面射流( 二维射流) 和立体射流( 三维射流) ，缝射流和孔射流。4 按环境固体边界情况自由射流( 在无限空间的流体内运动的射流) 和非自由射流( 在有限空间的流体内运动的射流) 。5 按依附边界可以分为冲击射流和壁面射流。6 按环境的性质可以分为淹没射流( 射入同种流体之内的射流) 和非淹没射流( 射入不同种类的流体之内，如射入大气中的水射流) 。本文研究的是轴对称射流，属于不可压射流，射流介质为水，环境介质为空气，故属于非淹没射流。无针注射装置的关键技术问题在于其动力源与喷嘴射流的关系问题，在本论文中的仿真与实验中均使用了以强力弹簧为动力的注射装置，探讨两者之间的相关性，对其后的相关产品开发具有一定的参考意义。第一章绪论1 2 无针注射简介1 2 1 无针注射特点1 2 - 7 l在医药学上，皮下注射采用带针头的注射器已经有1 5 0 年的历史，期间这种注射技术经过了许多改良，但一直没有本质性的变革。直到1 9 4 7 年，机械工程师a m o l ds u t e r m e i s t e r 发现高压输油管内的液体由输油管表面的小孔喷出，能穿透皮肤射入体内。而后，s u t e r m e i s t e r 与r o b e r th i n g s o n 医生共同研制了最早的无针注射装置，并进行了临床研究。无针注射剂在第2 次世界大战期间曾用于军队的大规模预防接种，但由于药剂无菌、包装、定量以及递送效率等关键技术上的缺陷，上世纪8 0 年代之前的产品未得到广泛的认可和重视。随着临床需要的推动和科学技术的发展，无针注射剂的研究丌发呈现出蓬勃发展的态势，美国和欧洲已经有不同类型的商品面世，国内也启动了无针注射剂研究项目。无针注射的原理为：使用一个可以产生高压的动力源，推动存放药液的安瓿瓶底部的活塞，将安置其中的药液以极高的速度从安瓿瓶另一端的小孔喷射出来，其流速和压力足以刺破人体皮肤。在人体皮肤上制造一个小创口，并将药液注射进皮下组织。与传统针头注射相比，无针注射方法最显著的特点是没有刺入体内的针头，也就免除了针头刺入时产生的疼痛。由于部分人有注射恐惧症、儿章害怕打针等，无针注射有效地改变了这种情况。同时，对于传统针头注射来说，由于在给药时针头会侵入体内，故经常会诱发感染或者造成交叉感染。因此，传播传染病的危险性极高。加上针头注射器使用不易，未经过训练的人无法轻易自己使用；用过的废弃针头的处理问题等，都是针头注射方法的固有缺陷。相对于这些缺点，无针注射优越之处还在于：1 无针扎伤害危险2 排除可能产生的交叉感染3 注射完成后处理费用低4 使用舒适，简捷并且可以在任何地方使用5 易于操作和长效6 方便注射不同药物不过无针注射也存在一个很关键的问题：给药量小是各种无针注射给药系统的普遍问题，若体积太大，则会引起严重的疼痛。2第一章绪论1 2 2 注射效果研究现状目前针对无针注射系统技术的关键部分：动力与注射效果之间的关系问题，国内外的研究主要集中于两类思路，一种为直接进行临床试验或者寻找性质与皮肤相近的材料代替皮肤进行实验。在国外如o l i v e ra s h e r g o l d 等【8 j 制作了压力实验台对不同无针注射器产品喷射过程产生的压力进行记录并进行比较，对于注射系统的参数设计具有较大的参考意义。而j o ys c h r a m m b a x t e r 掣圳则使用皮肤替代材料考察了喷孔的大小与注射效果的关系。如j a m e sw i l l i a m s 等【lu j 人对注射的效果非常观注，而e l e m e rk z s i g m o n d 掣1 1 】人对注射引起的疼痛大小较为观注。国内如周旭、金城等人研究的不同类型、不同粒径的粉术无针注射器与注入深度的关系并对各个现有的产品进行了分类【2 ，6 】，如姜嫦莲等人研究不同距离与穿透深度和范围之间的关系【l2 ，而杨军、罗卫等人则分别进行了临床试验观察注射后的各个效果1 4 , 1 3 】。该类方法直接得到了动力与注射深度间的关系，得到的结果直接明确，也较为可信，但是由于皮肤本身的特性，找到与皮肤性质相似的材料的难度较大，部分材料对温度，湿度及放置时问较为敏感，注入深度及广度的变化不够明显，而临床试验则成本较高，观察效果不便，同时这类方法由于侧重于实验，难以进行理论分析，其稳定性受外部条件的影响较大。另一种思路是先寻找动力与喷射流体之间的关系，再将喷射流体与注射效果进行对比分析。该种方法目前国内外关注不如前者多，但是与微孔射流技术相关的研究却不少，而如o l i v e r a s h e r g o l d 等的压力实验台也可以作为两种思路的综合体。但注入深度不仅与压力大小有关，而且与压力作用的范围及分布都有相当大的关系。该类方法虽然直观性不如前者，而且在理论计算中需要忽略一些次要因素造成误差，但是由于理论计算及分析较为方便，同时也利于直接使用精密的设备对喷射进行测量观察并验证理论计算，参数的变化对喷射的效果较为敏感，有利于后期参数的调节改进。1 3 流体力学的研究方法【1 4 1流体力学的研究方法和物理学中的其他领域一样，有理论分析、数值计算和实验测量三种。三种方法取长补短，相互促进，彼此相互影响，相互验证。理论分析一般包括以下步骤：( 1 ) 通过实验和观察对流体的物理性质及运动特性进行分析研究，分清哪第一章绪论些是主要因素，哪些是次要因素，然后，抓主要因素忽略次要因素对流体运动进行简化和近似，设计合理的理论模型。( 2 ) 对于上述模型进行总结，概括出某些普遍定律以及有关流体性质的实验公式，建立描写流体运动的封闭方程组。( 3 ) 利用数学工具进行简化，以便求解。( 4 ) 求出方程的解后与实验或观察资料进行对比，确定解的准确程度及适用范围。理论分析方法的优点在于所得的结果具有普遍性，各种因素清晰可见，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化才有可能得出理论解。对非线性的情况，只有少数流动才能给出解析结果。实验测量方法所得的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流动扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过实验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。数值计算方法是理论研究方法的完善和补充，因为对于某些复杂的流动现象，纯粹的理论分析是得不到精确解的，原因在于流体力学具有特别强的非线性性质，它需要进行很多数值实验，描述流体运动的方程可以是抛物型、椭圆型、双曲型以至混合型的微分方程( 如跨音速气流和水波中的陷波现象) ，它们可能有各阶的数学奇点以及未知的或无穷远的边界，而现有的非线性问题的数值解法的数学理论还是很不完备的。现在尚无严格的稳定性分析、误差估计和收敛性的证明。虽然在解的存在性和唯一性方面取得某些结果，但还不足以对我们所感兴趣的问题给予肯定的回答。在计算流体力学中，仍然是一方面要依靠对比较简单的线性的问题的严格数学分析，另一方面也要依靠物理直观、力学实验的启发和在计算机上的数值试验，这种数值实验有着自己独特的优点。它可以完全控制流体的性质，如液体的密度、粘性等。它的“实验探针对流动不产生扰动。它可以进行纯二维的实验，这在实验室内是不可能真正实现的。它对于流动参数的选择具有巨大的灵活性，例如它能任意选择边界层的初始厚度和速度剖面而不依赖于单位长度的雷诺数和马赫数，这在风洞中也是不可能的。数值实验可以做无论是理论分析还是实物模型实验所不能办到的事情，它能检验流动现象对理论分析中所做的各种近似的敏感性，如常粘性系数、忽略浮力、边界层近似和普朗特数取作1 等。它还能检验新的流体模型的本构方程的合理性。但是计算流体力学中的有限的数值模型只有在网格尺度为零的极限情况下4第一章绪论才能精确地模拟连续介质。而这种极限是永远无法达到的。离散化的结果不仅在数量上影响计算的精度，而且在性质上还会改变流动的特征。在有限的数值模型中也无法所映小尺度或短波长的流动现象，如滑移线和拐角处的极小涡流，而这些现象可能影响着流动的大尺度特征。计算流体力学是不同于实验流体力学和理论流体力学的一门独立的学科，它同时又是一门边缘学科。计算流体力学有它自己的特点、自己的方法和自己的困难。它的理论基础是流体力学，而计算数学是建立数值模型和解决有关问题必不可少的一部分内容。因此，计算流体力学正处在实验流体力学、理论流体力学和计算数学的汇合点上。它的有成效的发展历史说明，必须把这三者紧密地有机地结合起来。1 4 轴对称射流的理论研究1 4 1 自由射流的特点【1 5 j所谓无边界空间中喷射流是指在压力能或电能等因素作用下，将运动流体通过喷嘴或其他部件在无边界有介质的空间中能产生自由扩散的射流，故又称为自由喷射流。事实上，它仍受着无边界空间的介质参数影响，喷射流通常是属于湍流属性，即流体存在着不规则脉动。由于喷射流的流体具有横向速度，该速度值明显小于流体纵向速度值。因同导致与无边界静止介质之间产生动量交换，使得在射流附近的静止介质被带动，并随着喷射流一起运动。射流边界区域中速度所以被滞缓下来，是由于在边界区域中产生了动量和质量交换，并导致喷射流质量和横截面逐渐增大，亦就是说，具有很大速度梯度的渗混截面积被增大，而在横截面上的纵向速度被逐渐减小。我们把具有很大速度梯度的那去称为喷射流边界层。喷射流的外边界是与周围静止介质相接触。在外边界上平行于喷射轴线的分速等于零，但垂直流边界层的内边界与喷嘴出口之间构成未受混合扰动的核心流。在该区域中皆具有喷嘴出口处速度，故又称为等速度核心区，对等速核心流完全消失的那段称为初始段，转折截面后称为主体段，喷射流的两外边界线的交点称为喷射流极点。试验还表明，在不可压的喷射流中，它的静压始终保持为常量。为此，在主体段内，轴心速度将连续下降。实验和理论都已表明，喷射流横截面上任一点速度的横向分量v 与纵向分量u 相较，总是很小，即u v ，所以，在大多数射流理论中，可把v 略去不计，而认为喷射流横截面上速度分布就是指横截面上沿射流轴线方向的速度分布。第一章绪论图1 1 自由喷射流特征示意图如果用无量纲参数来表示，取纵坐标为咖m ，u m 为横截面轴心线上的速度，u 是该截面上离轴心距离为y 处的速度；取横坐标为y y n ，y n 是速度等于轴线上速度一半时那点离轴心的距离。在前人的实验中可知，在所有截面上无量纲速度分布均完全相似。这说明喷射流横截面的速度分布具有相似性，该特性称为自模性。这是自由喷射流的一条很重要的特性。同时由特吕佩尔实验和福斯曼实验可知：对自由喷射流主体段中的速度的等值线形状，将取决于无量纲速度的取法。当无量纲速度取为当地速度u 对所对应截面轴线速度u m 之比时，则主体段中的等速线皆为直线，且所有的直线都交于喷射流的极点上，如图1 2 所示。显然当u 0 确定时，整个喷射流的u 也随之确定。图1 2 对轴线速度比时，自由喷射流的等速线轴对称射流是自由射流中的一种，也是在工程中最具有研究价值的一种射流形式。6第一章绪论1 4 2 经验公式早期的理论分析工作主要是对射流时均速度、时均浓度以及温度分布的测量，以及射流扩展角、源点等几何参数的测量。为了满足实际工程需要，对大量的实验数据进行了归纳总结。另一方面，为完善对射流的理论分析，对射流卷吸环境流体的机理也进行了研究。经验公式是一种简单实用的方法。绝大部分经验公式来源于对大量实验成果的归纳总结具有普遍意义。但对具体问题经验公式的预测精度则很大程度上取决于该问题和经验公式所依据的实验的相近性。在文献中存在大量经验公式，有的以方程形式表示，有的以曲线形式出现。1 4 3 积分模型七十年代以前对轴对称射流理论方面的研究主要集中于积分法的研究。积分法的研究源于射流积分法。其基本思想是：从实验资料出发，引入普朗特的混合场模型，在假定流场诸参数剩余剖面相似的基础上积分连续性方程、动量方程、能量方程，将描述自由射流的一组偏微分方程转化为相应的常微分方程，从而求得流场的分布。t o l l m i e n 基于普朗特1 9 2 5 年建议的混合场理论建立的模型是众多理论上研究圆形射流的第一个，他求解了从极小出口流出的轴对称射流源，得到圆截面射流主段轴心线上的速度公式。由于自由射流的自模性，引入相应的相似变数后，即可把湍流射流边界层偏微分方程转化为一般可进行分析求解或不太冗长的数值积分的常微分方程。积分模型存在一个很大的不足，就是必须事先假定射流断面的形状及物理变量的断面分布。用积分法来求解自由射流时，需先假设速度分布，积分法的计算结果在速度剖面、压力分布等方面与实验值吻合较好，但在紊动量方面则与实验值偏差较大，从积分法计算自由射流的情况仍是一种近似的方法。1 4 4 微分模型到了七十年代中期，随着流体力学的进一步发展，以及计算机技术与激光流速仪( l d a ) 等先进流场测量技术的发展，许多新的精细的紊流模型与先进的测试技术、设备被引入到流体力学的计算与测量中来。与此相适应，在此期间对自由射流的研究也集中于精细的流场测量与数值模拟( 偏微分方法) 。7第一章绪论如果将微分模型和积分模型稍作对比给人的第一个深刻印象是许多积分模型中的参数及假设已成为微分模型计算成果的一部分。n s 方程是处理流动最基本最重要的方程，紊流模型是人们对于普遍存在于流动中高度复杂物理现象认识的模化。对自由紊流射流的微分模型即建立在这些比较牢靠的基础上。有许多的数值方法，如有限差分法( f d m ) 、有限单元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、有限分析法( f a m ) 以及新近发展的混合有限分析法( h f a m ) ，为数值求解这类控制方程提供了有效的数学工具。c h e n 和n i k i t o p o l o s 对均匀静止环境中的紊动射流的近区特性作了预报。m c g r i r k 和r o d i 利用k e 紊流模型模拟了静止环境中矩形射流孔流场的三维紊动自由射流。m c g r i r k 和r o d 计算模拟了静止环境中低佛罗德数时的三维表面射流。h o s s a n 和r o d i 、l i 和c h e n 对线形分层和局部分层射流的特性进行了数值预报。“和h u a i 计算了静止环境中浮力射流的全场特性。槐文信采用混合有限分析法，比较了应用标准k e 模式，修正常数k e 模式和低雷诺数k e 模式来计算了双孔平面射流，计算得出了中线流速沿程变化、流函数等值图和压强等值图，得出修正常数k e 模式能较精确地模拟双孔射流的流动，而且模式也是简单易行的。汪志明等用间歇涡环代替圆形射流剪切层，考虑了喷嘴喉部结构形状对漩涡脱落的影响及其与射流流场的相互作用对圆形射流流场的流动结构进行了数值模拟。结果表明，内流过渡曲面为椭球面而出口为锥面的风琴管式喷嘴喷射出的圆形射流流场具有良好的大尺度涡环结构。尽管从已有的文献来看，对自由紊动射流的微分模型的应用成果还不十分理想，还处在一个发展阶段，但相对于经验公式及积分模型而言，却是最具吸引力的。而且有一点可以肯定，那就是微分模型的发展为全面深入地模拟紊动射流现象提供了可能。对于轴对称射流的与本文中类似的仿真研究也有不少，如汪志明等【1 7 , 1 8 】对于风琴管内外流场的数值仿真，刘明宇等【l9 】对于可压缩轴对称射流的数值模拟。苏虎、段日强等【2 0 , 2 1 1 分别对于气固两相及多相流动的模拟，陈庆光等【2 2 】对于轴对称射流的冲击性的模拟等显示了对于轴对称仿真的一般性规律及相应的处理办法，如金江善等【2 3 】对高压高速瞬时的柴油机喷射过程的仿真，徐世凯等【2 4 】对出口处不同雷诺数的自由喷射过程进行了总结，得出了射流出口雷诺数对喷射流影响的一般规律，张志森、施红辉掣2 5 , 2 6 j 对超声速下的射流进行了分析研究等，对本文中的仿真具有一定的参考意义。1 5 微尺度效应雎7 】微尺度气体流动特性与常规尺度的主要差异可归结为表面效应、可压缩性、低雷诺数、流固界面条件以及流动状态改变等因素的影响。第一章绪论表面效应是指在尺度微小化之后，流体内部各种作用力的重要性相对发生了变化，比如与特征尺寸的高次方成正比的力，如惯性力、电磁力等在流体受力中比重减小，而与尺寸的低次方成比例力，如粘性力、弹性力、表面张力、静电力等的比重相对增大。可压缩性变得更加明显。通常情况下，人们以m - o 3 为可压与不可压的分界马赫数，但是在微尺度下，即使流动马赫数低于0 3 也常常是可压缩的，因为尺度减小导致流体的体积减小更加迅速，相同的体积变化量( 也即密度变化量) 所对应的相对体积变化量大大增加。低雷诺数也是微流动的一个重要特性。相对于马赫数来说，特征尺寸减小是引起低雷诺数降低的主要原因，因此低雷诺数也可以看作是微流动的一个固有属性。流固界面条件主要指由于流体和固体表面的分子力作用引起的流态变化以及流固表面的换热规律变化引起的流态变化。流态的变化是否会随着尺度的变小而改变，比如流动是层流还是湍流，转折条件是否仍然遵循常规尺度下的规律等等，也是微尺度流动面临的重要问题。如文献2 3 , 2 5 , 2 8 - 3 2 1 对微尺度效应下的喷射流进行了理论、数值计算及分析。微尺度带来的另一个问题是加大了仿真中网格划分的难度，难以用较规则的四边形网格来划分，较大的尺寸差别也使得计算的收敛困难。1 6 流动显示技术【3 3 】人类至今对流体力学中仍有许多疑难问题( 如湍流、非定常流动等) 了解甚少，许多肯定态流场的描述需要多点非接触式测量技术。流动显示的任务是使流体传输现象的过程可视化。它是流体力学的重要组成部分。流动显示技术是随着流体力学的发展而发展起来的，至今已有一百多年的历史。近代流体力学和空气动力学的发展以及分离流型在新一代飞行器研制中的应用，为人们对复杂流动的研究提供了新的课题，包括其机理研究和应用，例如涡系干扰及其控制、层流控制、湍流减阻、激波边界层干扰等。这些复杂流动一般是三维、非定常、非周期性的，其性态随时间和空间都发生变化，或具有复杂的空间结构，或流动是非定常的，往往二者兼而有之。近十几年来，由于工程实践的迫切需要以及近代光学、激光技术、计算机技术、信息处理技术的发展，为流动显示技术的发展带来了生机和活力，特别是在显示流动内部结构的能力以及流动信息定量提取和分析处理方面有了长足的进步，可望在不久的将来，取得对三维、非定常复杂流动定量显示和测量的重大突破。9第一章绪论1 6 1 流动显示技术的现状至今出现的流动显示方法繁多，大约有几十种，通常把它们分成常规的和计算机辅助的两大类。第一类是传统的流动显示方法，第二类是计算机辅助的流动显示方法。传统的流动显示方法可分为四组：壁面显迹法、丝线法、示踪法和光学法，它们分别适应于不同速度范围。流动显示研究的一个重要目标是不断地向速度范围的两端( 较高速度和较低速度) 扩展。第二代流动显示方法以含有计算机辅助技术为标志。图1 3 给出了第二代流动显示技术包括的内容。在实验方面，以常规的流动显示设备为基础，用计算机图像处理系统作图像处理，然后用彩色显示参数的变化，给出丰富的流场信息和高质量的图像。在计算方面，重视实验与计算的结合，用流动显示或流场测量给出某些边界条件或进行全流场测量，然后用数值模拟的方法进行计算，用计算机作图，最后以图像显示其结果。第二代流动显示技术的关键是应用图像处理技术。它不仅提高了流动显示数据处理的速度和精度，而且提高了显示图像的质量，把流动显示提高到了一个新的水平。实计图像采集系统常规的流计算机图像处理器显示动显示图像装置+高质量的图像( 机械设备)计算机图像结实全流场的计算机模拟或主管方程数字解测量某些边界条件爿搿l+主管方程的计算处理i全渊惶，图1 3 计算机辅助流动显示技术由于新一代飞行器研制和其他工程对复杂流动认识的迫切需要和激光技术、计算机技术、电子技术、信息处理技术等的飞速发展，促进了新一代流动显示技术的问世和发展。近十几年来，发展起以粒子图像测速( p i v ) 、激光诱发荧光( l i f ) 、激光分子测速( l m v ) 、压敏涂层( p s p ) 为代表的新一代流动显示技1 0术，它们一般兼有定性显示和定量测量的能力，有的已经实现了对非定常复杂流动的空间结构的瞬态显示与测量，从而对复杂流动的研究取得了重大进展。如图1 4 。流显技常规片光蒸气粒子彩色激光光学全息发光染色线流动显示技术烟线流动显示技术氢气泡流动显示技术油流法升华法阴影法丝线流动显示技术液晶流动显示技术纹影法干涉法激光分子流场检测技术红外成像技术激光施发荧光流动显示激光多酱勒测速技术l d v瑞利散射法r s喇曼光谱法分子示踪法图1 - 4 流动显示技术分类各种流动显示技术适合不同的应用范围，同时也有不同的测量效果，如张玉荣等 3 4 , 3 5 对贬声速( 2 0 0 m s 以上) 喷射过程使用了阴影成像和x 光成像，对两者效果进行了比较，x 光成像成功显示了喷射的结构，而阴影成像更多地显示了喷射的雾化效果，刘欣等f 3 6 1 使用了热线探针技术来测量气体的喷射速度，仅能测量了某一范围内喷射的速度。郦剑、王柏懿等1 3 7 , 3 8 贝, 1 使用了高速摄像机来定性地观察流体性质。1 6 2 流动显示技术的发展趋势( 1 ) 多种流动显示技术的综合使用目前，可使用的流动显示方法很多，这些方法各有所长，又各有一定的使用条件和流速范围。在一个研究项目中往往把多种流动显示方法综合使用，相互补充，相互验证，以获得丰富、可信的复杂流动信息。( 2 ) 以瞬时、定量、三维流动显示为目标，发展多种新的流动显示技术目前最引人注目的是p i v 、l i f 和p s p 技术。p i v 技术已达到实用阶段。l i f技术既能定性地显示流场，又能定量地测量速度、温度和密度等参数：既可用于低速，又可用予高速流动，是一种很有发展前途的流动显示技术。p s p 技术在国第一章绪论外己用于型号试验，并不断向代马赫数m a 使用范围扩展，由于它具有能连续获得压力场信息，可大量节省模型制造费和风洞试验费等明显优点，因此倍受人们关注。近几年来发展的激光分子流场检测技术方兴未艾，它是通过流场中分子与激光场的相互作用( 散射、吸收、色斑、辐射、解离等) ，利用光学效应和光学成像技术把流场参数转变为光学参数，通过光学处理获得流场信息。由于它一般不需要粒子，测量信息量大，精度高，因此受到重视。全息粒子图像测速技术( h d p i v ) 结合了全息及p i v 的技术，也是当前非常有发展潜力的非定常三维流场测量技术【3 9 1 。( 3 ) 流动显示技术与计算机结合在近代流动显示技术中，计算机主要用于对流动显示系统实施控制、图像处理和数据处理，把二维图像进行三维重建，获得空间的流动结构和定量的结果。( 4 ) 流动显示与计算机流体( c f d ) 结合用各种流动显示方法提供必要的边界条件和物理模型，例如，涡核的位置，边界层转折位置，分离点和离区，激波位置等等，以提高数值模拟的准确度；同时，数值计算的结果又有助于对流动图像的分析。1 7 课题来源本课题系我校与浙江省医疗器械研究所的科研合作项目“无针注射系统研发 的组成内容，属应用基础研究。1 8 本论文的主要研究工作1 8 1 研究目的及方法本文的研究主要目的是为无针注射系统研发及相关产品开发提供理论指导。通过对影响注射效果的关键性参数及相互关系进行理论分析、系统建模、数字仿真等手段，为产品设计与开发提供理论依据，此外，本论文的研究结果对微孔喷射流在其他领域的应用也有一定的学术参考价值。1 8 2 研究内容本文的具体研究内容概括如下：首先，从理论上分析无针注射装置的喷射过程。第一章绪论其次，分析并简化喷射过程，并使用f l u e n t 软件进行仿真。再次，使用现有的条件进行实验测量。最后，对比分析仿真与实验的结果，得出结论。1 8 3 论文的结构框架第一章为绪论，介绍论文背景、基本理论及总体内容；第二章为理论建模及仿真，对喷射过程进行了仿真实验；第三章为喷射过程的实验研究，介绍了实验设备的测量原理及实验过程与初步的数据，进行初步分析；第四章为实验结果分析，观察原始的实验数据特点并处理，对实验与仿真所得的数据做分析对比并得出结论；第五章为结论与展望，总结了本论文的主要工作，指出本文有待改进的部分，并对之后的改进方向做出了展望。第二章理论建模及仿真第二章理论建模及仿真【摘要】本章论述了f l u e n t 仿真的基本原理，无针注射装置的结构与注射过程分析，仿真相关参数的确定，针对注射过程分析对仿真条件进行简化处理。并得出相关数据和初步的结论。2 1f l u e n t 简介 4 0 - 4 2 】在流体力学中，由于流体的流动过程中发生了巨大的形变，使问题求解变得异常复杂。其控制方程属于非线性的偏微分方程，除几个简单问题之外，一般来说很难求得解析解。对于大多数人来说，不必要掌握流体力学微分方程的求解以及进行计算流体力学的深入研究，但在工作中又需要对某些具体的流动过程进行分析、计算和研究，由此，计算准确、界面友好，又能解决问题的大型商业计算机软件应运而生。目前，比较著名的有f l u e n t ，c f x ，s t a r c d 等。f l u e n t 是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生成，程序对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。f l u e n t 还可根据计算结果调整网格，这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。图2 1f l u e n t 基本程序结构示意图1 4第二章理论建模及仿真2 1 1 数值模拟方法和分类在使用f l u e n t 软件对一些实际问题进行模拟时，常常需要设置工作环境，设置边界条件和选择算法等，特别是算法的选择，对模拟的效率及其正确性有很大的影响，需要特别的重视。区域离散化就是用一组有限个离散的点来代替原来连续的空间。实施过程是把所计算的区域划分成许多互不重叠的子区域，确定每个子区域的节点位置和该节点所代表的控制体积。节点：需要求解的未知物理量的几何位置，控制体积，应用控制或守恒定律的最小几何单位。一般把节点看成控制体积的代表。控制体积和子区域并不总是重合的。在区域离散化过程开始时，由一系列与坐标轴相应的直线或曲线簇所划分出来的小区域称为子区域。网格是离散的基础，网格节点是离散化物理量的存储位置。常用的离散化方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。对这三种方法分别介绍如下。有限差分法( f d m ) 是数值解法中最经典的方法。它是将求解区域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程( 控制方程)的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。这种方法产生和发展比较早，也比较成熟，较多用于求解双曲线和抛物线型问题。其基本的差分表达式主要有四种：一阶向前差分、一阶向后差分、一阶中心差分和二阶中心差分等。有限元法( f e m ) 是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理( 变分或加权余量法) ，将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即将局部单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。对椭圆型问题有更好的适应性。有限元法求解的速度比有限差分法和有限体积法慢，在商用c f d 软件中应用并不广泛。有限体积法( f v m ) ，又称为控制体积法，是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重叠的控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一组离散方程。其中的未知数是网格节点上的因变量。子域法加离散，就是有限体积法的基本思路。有限体积法的基本思路易于，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义，就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一点。有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即第一二章理论建模及仿真使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。有离散方法而言，有限体积法可视作有限元法和有限差分法的中间产物。三者各有所长。有限差分法：直观，理论成熟，精度可选，但是不规则区域处理繁琐，虽然网格生成可以使f d m 应用于不规则区域，但是对区域的连续性等要求较严。使用f d m 的好处在于易于编程，易于并行。有限元方法：适合处理复杂区域，精度可选。缺憾在于内存和计算量巨大，并行不如f d m 和f v m 直观。不过f e m的并行是当前和将来应用的一个不错的方向。有限体积法：适于流体计算，可以应用于不规则网格，适于并行计算。但是精度基本上只能是二阶了。f v m 的优势j 下逐渐显现出来，f v m 在应力应变，高频电磁场方面的特殊的优点正在被人重视。而f l u e n t 正是基于f v m 方法的应用。2 1 2f v m 的求解方法有限体积法是将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线性方程，然后通过求解线性方程，得出流场的解。网格划分可以将连续的空间划分为互相连接的网格单元。每个网格单元由位于几何中心的控制点和将网格单元包围起来的网格面( 或线) 构成。所谓求解流场的控制方程，最终的目的就是获得所有控制点上流场变量的值。用于计算通量的常见方法包括一阶迎风格式、指数率格式、二阶迎风格式、q u i c k 格式和中心差分格式。在进行离散化后进行求角，有三种压力与速度的耦合方式选择，分别是s i m p l e 格式、s i m p l e c 格式和p i s o 格式。s i m p l e 算法是目前工程实际中应用最为广泛的一种流场计算方法，它属于压力修正法的一种。该方法是由p a t a n k a r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的，是主要应用于求解不可压流场的数值方法。它的核心是采用“猜测一修正 的过程，在交错网格的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程的目的。s i m p l e 算法的基本思想可以叙述为：对于给定的压力场，求解离散形式的动量方程，得到速度场。因为压力是假定的或者不精确的，这样得到的速度场一般都不满足连续性方程的条件，因此，必须对给定的压力进行修正。修正的原则是与修正后的压力场相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程。根据这个原则，可以把由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散形式，从而得到压力修正方程，再由压力修正方程得出压力修正值。接着，根据修正后的压力场，求得新的速度场。然后检查速度场是否收敛。若不收敛，用修正后的压力值作为给定的压力场，开始下一次的计算，直到获得收敛的解为止