戴 捷 蘇 磊 王 博 馮璐瓊 劉 暉

1 引言

蒸發(fā)器是麻醉機的關鍵部件，由于強效吸入麻醉藥的使用，其質量的好壞不但標志著麻醉機的水平，也關系到吸入麻醉的成敗，直接涉及患者的安危。因此，使用麻醉機時，必須認真檢查蒸發(fā)器，必要時應對其輸出濃度加以監(jiān)測。如何提高蒸發(fā)器的精確度，使麻醉機故障率最小，在出現(xiàn)故障后使受害程度控制到最低限度，是設計蒸發(fā)器時需要解決的首要問題。

蒸發(fā)器應具有以下功能：①有效地蒸發(fā)揮發(fā)性吸入麻醉藥；②精確地控制揮發(fā)性吸入麻醉藥的濃度[1-3]。

隨著多種強效揮發(fā)性吸入麻醉藥相繼應用于臨床，蒸發(fā)器與麻醉安危的關系更為密切，對蒸發(fā)器質量的要求亦越高。而稀釋氣體的溫度與蒸發(fā)器的蒸發(fā)效果也有很大影響，尤其是在藥物的蒸發(fā)區(qū)域[4]。本文以某型醫(yī)用麻醉蒸發(fā)器為研究目標，通過實際測量，建立了三維結構模型，利用CFD方法，分析不同稀釋氣體溫度對麻醉蒸發(fā)器蒸發(fā)效果的影響，以及麻醉藥物蒸發(fā)與稀釋氣體的混合情況，為優(yōu)化改進蒸發(fā)器結構提高理論依據。

2 數值方法與求解

2.1 藥液蒸發(fā)傳熱過程的數學描述

液態(tài)藥物的蒸發(fā)過程包括了從外界吸收熱量，與稀釋空氣進行熱交換過程。當部分藥液或藥液以液滴形式與穿過多孔介質單元的稀釋空氣相遇時，液滴吸收熱量，產生蒸發(fā)過程，可作為離散相作用到連續(xù)相的能量方程中。假設液滴的溫度達到蒸發(fā)溫度時，液滴的進入氣體的蒸發(fā)量由濃度梯度的變化決定，即蒸氣還保持為液滴狀態(tài)時所在連續(xù)相氣體的蒸氣濃度，與蒸氣已成為連續(xù)相氣體時的蒸氣所在氣體的濃度梯度相關聯(lián)，可表示為（1）式

液滴的溫度可通過自身的熱平衡得出，熱平衡公式（4）把液滴的焓變與液滴與連續(xù)相氣體兩相之間的對流傳熱，氣化潛熱聯(lián)系起來，即

2.2 求解方法與邊界條件

本文在計算過程中主要論述麻醉藥液在蒸發(fā)器蒸發(fā)區(qū)域內與稀釋空氣相遇、混合、蒸發(fā)過程的變化情況。兩相流動的數值計算方法中采用Lagrange法計算。在設定離散相邊界條件時，認為稀釋氣體與麻醉藥物蒸發(fā)霧滴存在動量和熱交換的相互作用，霧滴的加入方式采用進口面入射方式，霧滴從出口邊界流出設定為逃逸方式，與壁面碰撞設定為反射方式，霧滴在運動過程中忽略剪切力及重力對運動的影響作用，采用隨機跟蹤模型計算湍流脈動速度對離散相霧滴分散和運動軌跡的影響規(guī)律。

計算包括了對不同稀釋空氣條件下蒸發(fā)器內藥物揮發(fā)以及與空氣混合情況的分析。在連續(xù)相的流動過程中，認為稀釋氣體在麻醉蒸發(fā)器內部流動狀態(tài)是三維不可壓縮粘性湍流流動，選用RNG湍流模型，采用SIMPLE算法進行穩(wěn)態(tài)計算，求解精度采用二階精度。計算過程中設定質量流量為入口邊界條件，入口壓力1.213 bar，稀釋氣體入口溫度分別為15 ℃和33℃。設定流量為出口邊界條件。為了便于分析，計算中麻醉藥物理化參數按照安氟醚理化參數設定，麻醉藥物蒸發(fā)后的體積濃度比為5%。

3 麻醉蒸發(fā)器模型建立

蒸發(fā)器的結構原理如圖1所示[5-7]。在盛有揮發(fā)性麻藥容器內的上方空間通過一定量的氣體可以是氧、空氣或與氧化亞氮的混合氣體，這些氣體稱為旁路稀釋氣體。一小部分氣體經過調節(jié)閥流入蒸發(fā)室，攜走飽和的麻醉蒸氣，稱為分流稀釋氣體或載氣。旁路稀釋氣流與分流稀釋流在輸出口匯合，稱為含有一定百分比濃度的麻醉蒸氣的氣流，直接進入麻醉回路。圖2是蒸發(fā)器工作過程的數值計算模型圖，圖中對蒸發(fā)器計算初始區(qū)域進行了說明，其中麻醉藥蒸發(fā)區(qū)域（蒸發(fā)芯）為本次計算中的多孔介質區(qū)域飽和麻醉氣是順著中間的管路往上進入混合腔。新鮮氣體在分成兩路后，先通過壓力補償裝置（蛇形管）后進入蒸發(fā)室，然后再進入混合腔。通過網格劃分得到了蒸發(fā)器三維計算網格，如圖3所示，非結構化網格總數為237927。

圖1 蒸發(fā)器的結構原理圖

圖2 蒸發(fā)器工作過程數值計算模型圖

圖3 蒸發(fā)器三維計算網格

4 計算結果分析

為了方便顯示流場內部變化，選取麻醉蒸發(fā)器XZ平面和YZ平面的剖面圖，計算結果顯示，當稀釋氣體從蒸發(fā)器進口進入后，一部分壓縮氣體先進入蒸發(fā)器穩(wěn)壓腔（壓力補償管），并且隨后氣體流速降幅較大。氣體在壓力得到穩(wěn)定后，進入蒸發(fā)芯與藥液蒸汽進行第一次混合后再進入第二混合區(qū)域，在此區(qū)域內與另一部分分流的稀釋氣體進行第二次混合，最后形成藥液混合氣后從出口流出。圖4是不同稀釋氣體溫度條件下蒸發(fā)器流場密度變化云圖，由圖可見，當稀釋氣體溫度較高時（T=33℃），流場內流動物質密度較大，這種現(xiàn)象說明了在多孔介質區(qū)域藥物的蒸發(fā)量提高較大，增加了藥物蒸汽與稀釋氣體混合后的密度，由此可見，提高稀釋氣體溫度有助于藥物的蒸發(fā)以及與稀釋氣體的混合。

圖4 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內部流場密度變化

圖5是不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內部藥物蒸發(fā)率變化云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當稀釋氣體較高時，在麻醉蒸發(fā)器內部以霧滴形式存在的藥物蒸發(fā)量有較大提高。圖6是不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內部藥物質量分數變化云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在蒸發(fā)器蒸發(fā)芯區(qū)域，存在了相對較濃的藥物蒸發(fā)區(qū)。在圖5a中可以發(fā)現(xiàn)，當進入蒸發(fā)器稀釋氣體溫度相對較低時，藥物質量分數分布極不均勻，由于在壓力補償管與藥液蒸發(fā)芯之間的通道只有一條，最終導致了在氣體流動較快的區(qū)域，蒸發(fā)量隨之增加，但此后稀釋氣體溫度較低，影響了藥物的霧化效果，即導致了稀釋氣體與藥物蒸汽的不充分混合，隨即流向了第二次混合區(qū)。

圖5 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內部藥物蒸發(fā)率變化

圖6 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內部藥物（安氟醚）質量分數變化

圖7是不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內部藥物濃度變化分布，此時的藥物是以霧滴形式存在于蒸發(fā)器內部，由圖中可以看出，當稀釋氣體較高時，蒸發(fā)器內部整體分布的藥物濃度有明顯提高，并且分布的均勻程度也比較均勻。由此根據圖5－7可以看出，適當提高稀釋氣體的溫度有助于增強藥物蒸發(fā)，以及與稀釋氣體的均勻混合。稀釋氣體溫度對藥物蒸發(fā)，以及藥物蒸氣與稀釋氣體混合過程有較大影響，最終影響了蒸發(fā)藥物濃度的穩(wěn)定性與精確性。圖8是不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內部比熱變化分布云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)當稀釋氣體溫度較高時，在麻醉蒸發(fā)器內部流動物質的比熱明顯增加，這與在多孔介質區(qū)域內有較濃的藥物蒸汽有關，并且由此可以發(fā)現(xiàn)，隨著稀釋氣體溫度的增加，會導致在蒸發(fā)器內部有較大的熱量傳遞過程，即在藥物蒸發(fā)區(qū)域，存在揮發(fā)吸熱過程。

圖7 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內部藥物濃度變化分布

5 結論

圖8 不同稀釋氣體溫度條件下麻醉蒸發(fā)器內部比熱變化分布

本文運用的CFD方法，分析了稀釋氣體溫度對麻醉蒸發(fā)器蒸發(fā)效果影響，采用湍流隨機跟蹤方法，對麻醉藥物蒸發(fā)霧滴在蒸發(fā)器內的運動進行軌跡追蹤，得到了稀釋氣體溫度對蒸發(fā)器蒸發(fā)區(qū)域內麻醉藥物揮發(fā)以及與稀釋氣體混合過程中濃度場變化的影響規(guī)律。稀釋氣體溫度對麻醉蒸發(fā)器藥物與稀釋氣體混合均勻程度有很大影響。適當提高稀釋氣體溫度，可以提高藥物的蒸發(fā)量，與稀釋氣體的混合均勻性。溫度適當提高，混合效果顯著提高。稀釋氣體溫度對藥物蒸發(fā)，以及藥物蒸氣與稀釋氣體混合過程有較大影響，最終影響蒸發(fā)藥物濃度的穩(wěn)定性與精確性。

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