流体动力学分析中ANSYS软件的功能与运用

　　摘    要：　目的：探究ANSYS软件在流体动力学分析中的功能与应用。方法：本课题采用ANSYS19.0对流体动力学模型进行分析，通过网格划分，从而得知流体在各个部位的流速及流动方向。结果：应用ANSYS19.0建立mesh、fluent、results得出流体在装置模型内部的流速及走向。结论：成功分析流体动力学模型，得出流体分析图，对分析装置的研究与改良具有很大意义。

　　关键词：　ANSYS; 流体动力学分析; 有限元分析; 气雾剂;

　　Abstract：　Objective: To explore the functions and applications of ANSYS in hydrodynamic analysis. Method: In this subject, ANSYS19.0 was used to analyze the fluid dynamics model.Both flow velocity and direction of the fluid in each part were obtained through mesh generation.Result:ANSYS19.0 was used to establish mesh, fluent and results to obtain the flow velocity and trend of the fluid in the model Conclusion: The fluid dynamics model was successfully analyzed and the liquid analysis diagram was obtained, which is of great significance to the research and improvement of the analysis device.

　　Keyword：　ANSYS; fluid dynamics analysis; finite element analysis; aerosol;

　　近年来由于环境等的影响，呼吸道系统疾病的发病率越来越高。肺部吸入制剂起效快、生物利用度高、副反应少，是治疗呼吸道系统疾病的理想剂型[1]。药用气雾剂是一种特别的药物剂型，在治疗支气管哮喘,慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病方面具有其他剂型不可替代的优势[2]。气雾剂的装置设计也对药效有一定影响，通过对装置喷口的设计和改良，可以有效增加药物在肺部的沉积率。从而提高药效。装置的设计可以采用计算流体动力学的方法。基于仿真的结构设计优化已成为产品设计常用手段，ANSYS软件是最为流行的计算机辅助工程(CAE)软件，在结构有限元分析领域有广泛应用[3]。但是基于ANSYS对装置的流体动力学分析对于广大药学工作者还比较陌生。本论文利用雾化吸入装置模型导入ANSYS软件中，划分网格，通过results模块得出结果图，由此可为改良装置提供参考。
 

　　1、 材料和方法

　　1.1、 SOLIDWORKS中吸入装置的三维建模

　　尽管ANSYS软件本身自带几何建模功能，但其建模能力相对较弱。Solid Works几何建模功能强大，是使用最广泛的三维几何建模软件之一。由于肺部吸入装置喷口结构部分较为精细，故本文选择先在Solid Works软件(2018版)中建模，并将其导出为parasolid(*.x＿t)格式，然后再导入ANSYS软件进行空气动力学分析。

　　如图1所示为在Solid Works2018中装配完成的吸入装置的模型，由三个部分组成，如图2所示为吸入装置的外壳、喷口以及药瓶，将吸入装置外壳与喷口拆开建模，是方便后续可直接替换不同的喷口与装置外壳装配从而组成不同的完整的吸入装置模型。

　　图1 气雾剂装置模型图

　　Fig.1 Model diagram of aerosol plan

　　图2 气雾剂外壳，喷口，药瓶

　　Fig.2 Aerosol’s shell,nozzle and medicine bottle

　　1.2 、有限元模型的建立和网格划分

　　有限元模型的分析精确度取决于网格划分的优良与否，所以此步整个流体动力学分析至关重要，将雾化吸入装置的3D模型导入ANSYS软件中，通过设置各项参数得到网格的精确划分，所得网格含节点24819个，图3为网格划分完成后的示意图，表1为所得网格的各项参数。

　　图3 雾化吸入装置网格划分图

　　表1 网格所含各项参数表

　　1.3、 模型的建立与计算

　　残差是指测定值与按回归方程预测的值之差，通过对残差的分析可以预测模型假设的可靠性，这也是ANSYS流体动力学分析中不可或缺的一步，在分析流体动力学计算中设定模型为k-epsilon，即湍流模型中的k-e模型，当前，最为常用的湍流模型为标准的k-epsilon模型，该模型可以求解湍流动能与湍流动能消散率两个变量，从而对整个模拟系统进行闭合。该模型具有较好的收敛速度与内存要求，精确度也一般满足工程要求。标准的k-epsilon模型实际在求解以上变量中采用了半经验的公式，因此其适用性可能在不同的条件下出现明显的差异[4]。设置装置入口处气流流速为0.95 m/s，迭代次数为5000次，计算残差。

　　2、 结果分析

　　2.1 、残差分析

　　残差是指测定值与按回归方程预测的值之差，通过对残差的分析可以预测模型假设的可靠性，这也是ANSYS流体动力学分析中不可或缺的一步。由图4可见曲线收敛，说明结果稳定可靠。

　　图4 雾化吸入装置残差折线图

　　Fig.4 Residuals of atomizing inhalation

　　2.2 、装置内流体压力等高线的分析

　　在result模块中建立压力等高线，分析对象选中装置中的流体，图中可直观地表现出装置内部流体的各方位压力分布，图5即为装置内流体的压力等高线示意图。装置内部压力从入口处至出口处逐渐降低。

　　图5 装置压力等高线示意图

　　Fig.5 Pressure contour of the device

　　2.3 、装置内部速度流线的分析

　　图6 装置内部流体速度流线图

　　Fig.6 Velocity streamline inside the device

　　以底部流体入口为起点，绘制流体速度流线图，通过颜色的深浅判断流速的快慢，图6中流体流动连续而稳定，在装置前侧及喷口的中间部位流体速度都相对较大。

　　2.4、 装置纵切面速度等高线的分析

　　在装置内部建立一个纵向的切面，后在此切面上进行速度等高线的绘制及分析，于是可以更加清晰地进行内部流体的速度对比，在此基础上进行装置的改良和优化，是流体速度加快或减慢从而符合实验要求。由图7可判断出雾化吸入装置喷嘴前部速度相对较大。

　　图7 流体纵切面速度等高线示意图

　　Fig.7 Velocity contour of vertical section of fluid

　　2.5 、流体在出口及入口处的速度等高线

　　图8 出口处流体速度等高线示意图

　　Fig.8 Velocity contour at the exit

　　图9 入口处流体速度等高线示意图

　　Fig.9 Velocity contour at the inlet

　　为全面观测流体的速度分布，出口及入口处的速度等高线也不可忽略，由此可得出流体在出口或入口处的哪一具体方位处速度较大或较小，为调整装置内部结构提供依据。由图8,9可见雾化吸入装置在出口及入口处流体的速度皆是中间大外周小

　　3、 讨论

　　在喷雾剂装置设计中，可以利用ANSYS软件，对流体动力学装置进行全面分析，为后期装置的优化与改良提供重要参数，通过results模块中各项压力与速度的分布图，模拟出装置在使用过程中的内部情况，能够更加直观地发现装置的缺陷与不足，从而进行有针对性的改进。

　　参考文献

　　[1] 徐景娜，周学海，杨敏，等．肺部吸入制剂的研究概况[J]．药物评价研究，2019,42(12):2305.
　　[2] 赵燕君，许新新，仪忠勋，等．药用气雾剂辅料抛射剂质量标准概述[J]．中国药事，2019,33(6):637.
　　[3]李珺，杨扬．基于Solidworks-MATLAB-ANSYS集成框架的结构设计优化[J]．计算机应用与软件，2020,37(3):8.
　　[4]代彬，陈章淼，周维．基于Realizable-k-epsilon模型的水阀下游水流数值模拟[J]．水利与建筑工程学报，2018,16(4):176.