基于CFD-DEM方法的网格优化和锥形腔室改进对干粉吸入器的性能提升

《Advanced Powder Technology》：Performance improvement of dry powder inhalers through grid and tapered chamber optimization based on CFD-DEM method

　　

Kun Liu|Wenzhao Huo|Zhenwei Liu|Ying Cheng|Ping Li

中国陕西省西安市西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室，邮编710049

摘要

干粉吸入器（DPI）的一个核心挑战在于如何在颗粒分散效率和颗粒滞留率之间取得平衡。涡流有助于药物颗粒的解聚，但过强的涡流会导致颗粒在吸入器内部沉积。本研究采用计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）来优化吸入器的关键结构。为了明确结构参数对流场和颗粒碰撞行为的影响，通过修改网格和旋流室设计了十一种不同的方案。对于孔径为2毫米且呈交叉排列的网格，实现了吸口中气流均匀性的提高，并保持了旋流室内的适度气流速度。这种设计促进了颗粒碰撞从而实现解聚，同时避免了由涡流引起的吸口中颗粒滞留。细颗粒分数（FPF）比原型高出5.86%，表明药物能够更深入地沉积在肺部。此外，通过使用1毫米的锥形截面优化了旋流室与网格之间的气流过渡，这不仅提高了气流速度，还防止了过度涡流的形成。由此，旋流室内的颗粒撞击次数和撞击能量增加，使得FPF相对原型提高了5.43%。

引言

呼吸系统疾病是全球公共卫生的关键焦点，因为慢性呼吸系统疾病的发病率不断上升且死亡人数众多。由于肺部的独特生理和药代动力学特性，肺部给药成为治疗这些疾病的首选方法。这些特性包括较大的吸收面积、密集的毛细血管、薄薄的肺泡上皮层，使得物质交换迅速进行，以及较低的肺代谢酶活性[1]，[2]。常见的肺部给药方式包括雾化器（NEBs）、压力计量吸入器（pMDIs）和干粉吸入器（DPIs）[3]。DPIs体积小巧、便于携带，在将粉末液化、解聚并沉积到肺部方面起着关键作用[4]，[5]，[6]。

DPIs内的涡流主要来源于切向入口，该入口设计用于产生具有渐进螺旋轨迹的吸力流[7]。这种运动显著影响颗粒的行为[8]。适度的涡流可以提高粉末气溶胶化的效率，而过强的涡流则会增加颗粒在吸入器内的滞留和口咽部的沉积[9]，[10]。在DPI设计中需要平衡气流特性与颗粒聚集/解聚之间的关系[11]，[12]。此外，在DPI内部，旋流室的几何结构对涡流有显著影响，在流体通过网格时形成了一个高湍流动能（TKE）的关键区域，这两个因素都对药物颗粒的分散起着决定性作用。因此，优化网格和旋流室对于实现涡流平衡和控制湍流非常重要。

网格的作用是整流气流并主要促进颗粒的分散[13]。Coates等人[14]发现，增加网格孔隙率会增加吸入器内的切向气流，但同时导致颗粒滞留增加和细颗粒分数（FPF）降低。Ye等人[15]研究了不同孔径大小和密度的网格设计，发现密集的网格减少了气流涡流，同时提高了TKE。Fletcher等人[16]表明，网格显著改变了气流，减少了涡流的破碎和颗粒的扩散。Leung等人[17]发现，Aerolizer?中的交叉网格设计增加了旋流和吸口处的沉积。对网格结构的改进主要集中在孔径大小上，研究结果表明，较高的阻力会降低气流速度，从而影响颗粒分散。此外，网格孔径的排列方式也显著影响吸入器的内部流动阻力。因此，在DPI的开发中应重点关注圆形网格和排列方式对阻力降低、气流均匀性以及颗粒输送和分散的综合效应。

旋流室通常具有最高的气流速度和TKE，切向速度持续增加以促进颗粒的液化[18]，[19]。它在调节气流和颗粒运动方面起着关键作用[20]。Kim等人[8]研究了壁面凸起形状对流场的影响，发现矩形凸起产生了最高的湍流强度和最低的涡流强度。Zhu等人[21]在Turbhaler?中整合了圆顶形室，发现这种设计延长了颗粒的停留时间并增强了颗粒间的碰撞，从而提高了药物分散效率。Jiang等人[22]发现，增加旋流室的高度延长了颗粒与气流的相互作用时间，显著提高了气溶胶化性能。他们观察到大部分颗粒碰撞发生在室顶壁上。然而，他们的模拟并未考虑顶壁面积对颗粒撞击的具体影响。当旋流室内的高速气流穿过上层网格结构时，由于流方向的突然变化，气流会受到显著扰动[23]。这一位置的颗粒流出受到阻碍，部分颗粒可能会在网格区域沉积或滞留。基于以往的研究，提出了一种新型旋流室设计，其上部采用锥形结构，可以增加室顶壁的面积，有望提高颗粒撞击频率并优化旋流室与网格之间的气流过渡。

因此，在本研究中，利用CFD-DEM耦合方法研究了网格和旋流室几何设计对DPI性能的影响。预测了网格尺寸、排列方式和锥形截面高度对粉末排出和分散的影响。基于排放剂量和FPF，研究了气流速度、涡流和TKE对粉末分散的影响，并将改进设计的性能与原始设计进行了比较。最后，利用颗粒-壁面碰撞数据分析了主要的分散机制，并将其与FPF进行了关联。

章节摘录

物理模型和边界条件

本研究使用的基于胶囊的DPI的物理模型源自商用Aerolizer吸入器，其尺寸数据如表1所示。在此基线物理模型的基础上，将胶囊结构集成到了旋流室中。胶囊的设计符合标准4号胶囊的标准，长度为14.3毫米，直径为5.39毫米，填充质量约为0.13克。初始模型的构建如下：

网格结构对DPI性能的影响

图3a展示了具有不同网格结构的吸入器内部的气流特性。网格孔径大小的变化显著影响了涡流气流的整流效果。较小的孔径对气流通过的阻力较大，导致网格处出现明显的流线收缩和汇聚。这种汇聚效应提高了局部流速，将高速涡流转化为稳定的、主要为轴向的气流：

结论

为了提高吸入器的性能，采用CFD-DEM耦合方法分析了DPI内部流场和颗粒的动态特性。针对网格结构和旋流室提出了有针对性的结构优化策略。

• (1)
  通过最佳的网格结构（孔径为2毫米且呈交叉排列），实现了吸口和旋流室内的最佳气流调节性能和涡流平衡。这种最佳结构防止了颗粒的滞留：

CRediT作者贡献声明

Kun Liu：撰写——原始草稿、方法论、概念构思。Wenzhao Huo：验证、数据整理。Zhenwei Liu：可视化、软件开发。Ying Cheng：可视化、验证、方法论。Ping Li：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目管理、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：51976152）的支持。