无针注射器数值模拟和工作特性分析_陈波.doc

中国机械工程第 1 9 卷第 2 期 2 0 0 8 年 1 月下半月 无针注射器数值模拟和工作特性分析 陈 波 汪洪丹 吴健康 史铁林 华中科技大学光电国家实验室, 武汉, 4 3 0 0 7 4 摘要: 采用 C F D F l u e n t 软件对无针注射器的工作全过程进行数值模拟, 得到了注射管内药液驱动 压强和药液射流速度的变化规律。模拟了药液射流在空气中的演化过程, 以及射流穿透皮肤, 在皮肤层 和皮下组织层扩散的全过程。数值结果与实验定性结果一致。 关键词: 无针注射器; 药液射流; 皮肤; 穿刺 中图分类号: R 9 4 4 文章编号: 1 0 0 4 1 3 2 X ( 2 0 0 8 ) 0 2 0 1 9 6 0 4 N u m e r i c a l S t u d y a n d W o r k i n g B e h a v i o r o f H y p o s p r a y C h e n B o W a n g H o n g da n W u Jia n ka n g Sh i T ie l in W u h a n Na t io n a l La bo ra t o ry fo r Opt o e l e ct ro n ics, W u h a n , 4 3 0 0 7 4 A b s t r a c t : T h is pa pe r e mpl o ye d C F D F l u e n t so ft w a re t o n u me rica l l y in ve st ig a t e w o rkin g pro ce ss o f a h ypo spra y. A t t e n u a t io n be h a vio rs o f me dica t io n drivin g pre ssu re a n d me dica l je t spe e d w e re o bt a in e d. Evo l u t io n o f me dica l je t in a ir a n d pe n e t ra t in g pro ce ss t h ro u g h su rfa ce skin w e re simu l a t e d. Nu me rica l so l u t io n s a re co mpa ra bl e w it h e xpe rime n t a l re su l t s. K e y w o r d s : h ypo spra y; me dica l l iqu id je t ; skin ; pu n ct u re 0 引言 1 0 0 , 可以认为是层流流动。不可压缩流体的连续 性方程为 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 + ! ( v ) = 0 ( 1 ) t 式中, 为液体的密度; t 为时间; ! 为那 勃勒算 子; v 为 速 皮下组织。无针注射具有无针痛、无交叉感染、使 度矢量。 用方便等优点。 无针注射器是由 H in g so n 等[ 1 ] 在 1 9 3 7 年研 制的, 1 9 4 1 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 [ 2 4 ] 。无针注射药液穿透皮肤深度主要取决于 展 针孔直径和出口射流速度两个参数。这两个参数 图 1 无针注 射器的内腔结构示意图 的实验研究和理论分析[ 58 ] 以及无针注射器的流 [ 9 ] 对无针注射器的性能改进和优 体力学数值研究 化设计具有重要意义。本文利用 C F D F l u e n t 软 黏性不可压缩流体的 Na vie r - St o ke s 方程为 v t + ( v ! ) v = f - 1 ! p + ! 2 v ( 2 ) 式中, p 为 压强; 为 流 性 的 运 动 黏 性 系 数; f 为 单 位 体 件对无针注射器工作全过程进行流体力学计算模 积力。 拟, 并与实验结果比较, 为新型无针注射器的研发 式( 1 ) 、式( 2 ) 是不可压缩黏性流体流动的基 和性能优化提供依据。 本方程。其中体积力 f 可以不考虑。由于 Na vie r- 1 无针注射器的计算模型 St o ke s 方程的非线性以及模型的特殊性, 解析解 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 0 ml , 出 基本不可能求得, 数值模拟是研究