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以FLOW-3D模擬鼻腔通道

 譯:宋孔慶

鼻腔投藥系統是一種未來極被看好的非侵入性控制藥物進入管道,但是仍然面臨一些設計上的挑戰。假如藥物噴霧顆粒太大,容易堆積在鼻腔的前端位置而影響藥物吸收的效率;但是如果顆粒太小,又可能直接吸入肺部而浪費了藥劑。有些藥物被設計為針對鼻腔某些部位來做吸收,例如在嗅覺區域,藥物傾向於被直接傳送到腦部。想要成功設計出有效的鼻腔投藥系統必須對許多變數做最佳化,諸如噴霧顆粒大小、顆粒速度、噴霧角度和噴嘴伸入深度等。藉由 FLOW-3D 的一系列模擬,各種不同變數對系統設計的影響可以被研究出來。

鼻腔通道位置示意圖

下圖的動畫顯示了噴霧顆粒通過鼻腔的路徑。顏色代表顆粒的尺寸,紅色為最大、藍色為最小的顆粒。模擬結果顯示越小的顆粒可以越深入到鼻腔的深處,而最小的顆粒則進入到呼吸系統。

模擬設定

鼻孔的位置設定為均勻流速的邊界狀態,鼻腔壁處速度為零(不允許滑動)。氣流中的噴霧顆粒則利用 Particles 模型加以設定;由於鼻腔通道中通常是溼潤的,因此設定顆粒只要一接觸到鼻腔壁就會被吸附於其上,也就是形成堆積。
噴霧顆粒有時會帶有電荷,而其運動也會受到電荷的影響。 FLOW-3D 也可以模擬帶電荷顆粒的效應,然而在此例中我們假設噴霧顆粒不帶有電荷。

運用 FAVOR TM 技術

就呼吸氣流來說,每個人鼻腔的尺寸和形狀都不太一樣,然而對單一噴霧裝置設計而言其噴霧顆粒尺寸卻是固定的,因此,針對設計做各種不同鼻腔構造的模擬就顯得很重要。 FLOW-3D 有一項特別技術,稱為 FAVOR ( Fractional Area Volume Obstacle Representation ),可以用矩形立方體網格描述出多變的幾何形體,使得網格切割的工作得到簡化,並讓測試所設計的裝置於多種不同鼻腔形狀的氣流狀況變得簡單容易。