一種防回血逆向阻流器的設(shè)計

吳梅，譚平，陳德政，陶靜

1.簡陽市人民醫(yī)院 腎內(nèi)科，四川 簡陽641400；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢643000；3.過程裝備與控制工程四川省高校 重點實驗室，四川 自貢 643000

一種防回血逆向阻流器的設(shè)計

吳梅1，譚平1，陳德政1，陶靜2,3

1.簡陽市人民醫(yī)院 腎內(nèi)科，四川 簡陽641400；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢643000；3.過程裝備與控制工程四川省高校 重點實驗室，四川 自貢 643000

本文闡述了一種主要由防回流管和錐形浮體組成的逆向阻流器的設(shè)計過程，并采用FLUENT軟件模擬了輸液管中出現(xiàn)血液回流時逆向阻流器中的流場。模擬計算結(jié)果顯示，逆向阻流器中的壓力場分布有利于浮體的移動，當(dāng)浮體的密度與流體的密度一致時，流體對浮體的軸向作用力能夠推動浮體移動并貼緊輸液管內(nèi)壁，從而達(dá)阻流目的。模擬結(jié)果表明，該裝置可應(yīng)用于輸液器中，防止血液回流。

逆向阻流器；浮體移動；FLUENT軟件；血液回流

輸液是臨床上一種常用的治療方法[1-2]，一般采用重力輸液器進行藥液輸送。在整個輸液過程中，輸液器內(nèi)的壓力應(yīng)該比血管內(nèi)的壓力高，這樣才能保證藥液順流進入體內(nèi)。但是，在輸液過程中，患者血管內(nèi)的壓力不是恒定的，在某些情況下可能超過輸液器內(nèi)的壓力，例如，給患者測量血壓時，靜脈通路與血壓計袖帶同在一上肢，由于壓力作用，血液回流受阻，進而使得上肢血管內(nèi)壓力增大；患者肌肉緊張引起血管收縮，致使血管內(nèi)壓力增大等。當(dāng)血管內(nèi)壓力高于輸液器內(nèi)壓力時，靜脈血就會通過針頭回流到輸液管內(nèi)，甚至到達(dá)莫非滴管內(nèi)。血液進入輸液管后往往會形成微小的凝血塊，易造成針孔堵塞，使得輸液需重新進行穿刺，給患者帶來痛苦，如果凝血塊隨藥液進入患者體內(nèi)，還可能形成血栓[3-4]。所以，輸液工作者一直想要解決輸液過程中的血液回流問題?；诖耍狙芯吭O(shè)計了一種逆向阻流器，并對其防血液回流性能進行了研究分析，旨在解決輸液過程中的血液回流問題。

1 逆向阻流器結(jié)構(gòu)設(shè)計

該逆向阻流器主要由防回流管和錐形浮體組成（圖1），主要應(yīng)用于頭皮針與輸液軟管之間，以防止血液回流。錐形浮體表面設(shè)有兩排觸角，可保證錐形浮體位于防回流管中央；錐形浮體底部設(shè)有數(shù)根觸角，可防止藥液順流時下游出口被堵?。诲F形浮體密度近似于藥液密度，使得浮體能夠懸浮于藥液內(nèi)。

輸液正常時，藥液以速度U進入防回流管，并推動錐形浮體左移，經(jīng)由浮體與防回流管管壁之間的流道，以速度U流出防回流管。當(dāng)血管內(nèi)壓力高于輸液器內(nèi)壓力時，血液將回流進入輸液管，此時，藥液則從左側(cè)進入防回流管，并推動浮體右移，直至浮體貼緊右側(cè)輸液管內(nèi)壁形成密封，達(dá)到阻止血液回流的目的。這種錐面密封方法在機械密封領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[5-8]，密封效果顯著。

圖1 逆向阻流器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

2 逆向阻流器流場分析

計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）是產(chǎn)品設(shè)計的重要輔助手段，不但可以降低設(shè)計成本，還可以縮短設(shè)計周期。為了了解逆向阻流器中的流場，并以此評估其逆向阻流效果，本研究采用FLUENT軟件仿真藥液回流時逆向阻流器中的流場。

2.1 計算參數(shù)

逆向阻流器的幾何參數(shù)，見表1。在輸液過程中，當(dāng)血管內(nèi)壓力高于輸液器內(nèi)壓力時，就會出現(xiàn)血液回流現(xiàn)象。為了使分析結(jié)果更具有普遍性，本研究在0.1～1 m/s的流速范圍內(nèi)分析逆向阻流器的逆向阻流效果。

表1 基于軟件與IAEA 277絕對劑量比較

2.2 計算模型

逆向阻流器為軸對稱結(jié)構(gòu)，可簡化為二維流場問題。由于其錐形浮體密度近似于藥液密度，所以錐形浮體的自重與其排開的藥液重量相當(dāng)。根據(jù)加減平衡力系公理，可忽略重力與浮力對浮體的作用。藥液則由液態(tài)水來代替。逆向阻流器中的流道網(wǎng)格，見圖2。

圖2 逆向阻流器流道網(wǎng)格

流場分布采用穩(wěn)態(tài)求解器進行計算，流體的流動過程采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型模擬[9-10]。k-ε模型模擬是由Launder和Spalding于1972年提出的[11-12]。模型中的ε定義為：

則湍動粘度μt可表示為k和ε的函數(shù)，即：

因此，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的輸運方程為：

其中：

式中：ρ為密度；u為流速；μ為流體動力粘度；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，分別取值為1.44、1.92、0.09；σk、σε分別為湍動能k和湍動耗散率ε對應(yīng)的普朗特數(shù)，分別取值為1.0和1.3；Prt為湍動普朗特數(shù)，取值為0.85；gi為重力加速度在i方向上的分量；β為熱膨脹系數(shù)；Mt為湍動馬赫數(shù)；a為聲速；Sk、Sε為FLUNET中用戶定義的源項。

3 計算結(jié)果及分析

當(dāng)回流速度為0.1 m/s，出口壓力設(shè)定為0 Pa時，逆向阻流器中的流場分布見圖3～4。在錐形浮體頂部、底部兩處，流道狹小，流速極大，最大流速達(dá)到回流速度的5.6倍。在錐形浮體底面附近區(qū)域的流速較小，為高壓區(qū)（200 Pa左右）。由于流道有臺階形邊界，在圖示兩個區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了漩渦，值得關(guān)注的是，在浮體前端的漩渦區(qū)域為負(fù)壓。也就是說，錐形浮體底面為高壓區(qū)，前面為負(fù)壓區(qū)，非常有利于浮體的右移運動。

圖3 逆向阻流器內(nèi)的速度場（m/s）

圖4 逆向阻流器內(nèi)的壓力場（Pa）

在流體流動過程中，監(jiān)測到流體在錐形浮體表面的軸向作用力系數(shù)CD為0.575。根據(jù)公式(6)，可以計算出二維模型中流體對錐形浮體的軸向作用力[13]。

式中：ρr為流體密度，U為繞流流速，A為參考面積。各參數(shù)的值取FLUENT中的默認(rèn)參考值：ρr=1.225 kg/m3，U=1 m/s，A=1 m2。

此問題為軸對稱問題，考慮錐形浮體底面面積為1.9625×10-5m2，可計算出流體對錐形浮體的軸向作用力FD=6.92×10-6N。以水的密度（998 kg/m3）計算錐形浮體重力G為1.497×10-3N，則流體對錐形浮體的軸向作用力約為浮體重力的0.5%。按照牛頓第二定律可得此瞬時浮體的運動加速度約為0.045 m/s2。

由此可見，當(dāng)回流速度為0.1 m/s時，如果去除了重力與浮力的影響，流體流動對錐形浮體產(chǎn)生的軸向作用力可以推動浮體右移，并與管道內(nèi)壁貼緊形成密封，從而達(dá)到防回流的目的。

隨著回流速度的升高，流體對錐形浮體的軸向作用力也隨之增大（圖5）。通過最小二乘法進行曲線擬合[14-16]，可得作用力FD與回流速度v0的關(guān)系式為：

由式(7)可知，F(xiàn)D與v0呈二次拋物線關(guān)系，隨著回流速度的升高，F(xiàn)D也逐漸增大?？傮w來說，流體對錐形浮體的軸向作用力是微小的。當(dāng)回流速度為0.1 m/s時，此作用力僅為浮體重力的0.5%；當(dāng)流速增大到1 m/s時，此作用力也才達(dá)到浮體重力的35%。所以，錐形浮體密度近似于藥液密度是非常重要的，否則，流體流動所產(chǎn)生的作用力將因為相對重力和浮力微小而被忽略，從而使得逆向阻流器無法達(dá)到逆向阻流的目的。

圖5FD/G隨回流速度的變化曲線

4 結(jié)論

通過FLUENT軟件的仿真計算，可以得出如下結(jié)論。

（1）浮體采用錐形體是合理的。流體流動時，在錐形體底面形成高壓區(qū)，在錐形體頂面由于漩渦而形成負(fù)壓區(qū)。浮體位于此壓力場中，會形成前吸后推的現(xiàn)象，有利于浮體的移動。

（2）流體對錐形浮體的軸向作用力是微小的，即使相對于浮體的重力也是很小的。所以，要以此作用力作為浮體移動的動力，則需去除重力和浮力的影響，即要求浮體的密度與液體的密度一致。

（3）將該逆向阻流器應(yīng)用于輸液器中，能夠有效解決輸液過程中可能出現(xiàn)的血液回流問題。此外，該逆向阻流器也適用于解決與輸液血液回流類似的工程問題。

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Design of a Blood-Return-Control Infusion Set with Floating Sluices

WU Mei1, TAN Ping1, CHEN De-zheng1, TAO Jing2,3
1. Department of Nephrology, Jianyang People’s Hospital, Jianyang Sichuan 641400, China; 2. Sichuan University of Science & Engineering, Zigong Sichuan 643000, China; 3. Key Lab. in Sichuan Colleges on Industry Process Equipment and Control Engineering, Zigong Sichuan 643000, China

The paper describes the process of designing the blood-return-control infusion set with fl oating sluices. The fl ow fi eld, which is formed during blood-return in a backwards fl ow breaker, is simulated with the FLUENT software. The result shows that the pressure fi eld is in favor of the movement of the fl oating body in the backfl ow preventer. The axial force of fl uid can make the fl oating body move and compact the internal face of the infusion tube. The gravity and buoyancy can be ignored since the density of the fl oating body is the same with the fl uid in the infusion tube. Therefore, the blood backfl ow can be eliminated by a vein transfusion device with a backwards fl ow breaker. Moreover, the backwards fl ow breaker can be used in many projects which are similar to the intravenous transfusion.

infusion set with fl oating sluices; the fl oating body movement; FLUENT software; blood backfl ow

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.01.010

1674-1633(2016)01-0042-03

2015-09-14

四川省高校重點實驗室開放基金項目資助（GK201304，GK201201）。

本文作者：吳梅，主管護師。

作者郵箱：panggg555@163.com