无针注射高速射流振荡机理研究及活塞结构优化

作     者：熊洪强 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：文华;石志飞

授予年度：2024年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 10[医学] 

主      题：无针注射 射流振荡 流固耦合 活塞密封 结构优化 

摘      要：无针注射技术有易于操作、减少患者恐惧、降低疼痛感等优点,在医疗领域上的应用越来越受欢迎。对于企业自主研发的无针注射器,目前存在射流穿透效果不理想和射流不连续性问题,因此需要对无针注射过程进行深入研究。本文将实验与仿真相结合,研究无针注射高速射流过程及射流振荡机理。探究无针注射器的活塞结构、安瓿瓶喷嘴孔径、注射液体的物理性质和剂量对射流特性的影响规律,为无针注射器的优化设计提供依据。 首先,利用搭建的冲击力测试系统测试无针注射射流冲击力,根据射流理论分析得出射流滞止压力变化规律,同时利用高速摄像机拍摄分析活塞运动规律。结果表明:无针注射射流初期活塞发生位移波动,射流滞止压力振荡明显,位移波动和压力振荡规律具有对应关系,表明压力振荡是由于活塞变形和水的可压缩性造成的。为分析不同剂量和不同活塞结构对射流特性的影响,进一步开展了对比实验。通过对比分析发现,剂量越小射流峰值滞止压力越大;活塞密封凹槽体积对射流滞止压力有影响,为无针注射器活塞结构优化提供了思路。 其次,采用流固耦合方法对无针注射射流过程进行模拟分析,流体域采用VOF多相流模型,橡胶活塞域采用超弹性本构模型。通过对模型参数进行标定,仿真结果能与实验结果较好吻合,表明仿真模型是可行的。进一步仿真分析喷嘴孔径和注射液体物性对射流特性的影响,发现喷嘴孔径d=0.16mm时获得更好的射流性能,注射液体粘度增大导致射流滞止压力降低。 最后,利用建立的仿真模型探究不同活塞结构参数对射流特性和活塞强度可靠性的影响,得出以下结论:活塞开单槽情况下,随着槽长槽深的增大,射流峰值滞止压力增大,活塞最大Von Mises应力和最大剪切应力增大;将单槽分为相同槽长槽深的双槽,随着双槽间距增大,射流峰值滞止压力减小,活塞最大Von Mises应力和最大剪切应力减小。在保证活塞密封性达标的前提下,采用二分法思想对活塞结构参数进行优化,分析发现槽长L=3mm,槽深H=0.13mm,槽间距L0=0.25mm为活塞槽结构的最佳尺寸,相比于不开槽的活塞结构,射流峰值滞止压力提升了22.3%。相比与最佳单槽结构尺寸的活塞最大应力降低了58.4%。