基于fluent的西林瓶升溫曲線模擬

王炳剛 于 穎* 盧存義

（1.中國藥科大學(xué)，江蘇南京 210009；2. 南京博健科技有限公司，江蘇南京 210012）

熱風(fēng)循環(huán)型隧道滅菌烘箱已廣泛用于西林瓶、安瓿的干燥滅菌，成為藥廠無菌注射劑、粉針劑生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。然而，目前國內(nèi)對于西林瓶在隧道滅菌烘箱內(nèi)的升溫趨勢及影響因素的研究鮮有報道。合理的升溫趨勢既可以實現(xiàn)更好的節(jié)能以降低破瓶的風(fēng)險。所以，設(shè)計合理的升溫趨勢是非常有必要的。

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計大多依靠仿制和經(jīng)驗。而fluent軟件具有強(qiáng)大的流體模擬功能，fluent 軟件對于流體的模擬已經(jīng)很成熟[1]，將其用于烘箱的熱風(fēng)循環(huán)模擬，能夠完整的模擬預(yù)測空氣在加熱西林瓶時的升溫曲線。從而為設(shè)計合理的升溫趨勢提供有力依據(jù)，成為隧道烘箱設(shè)計的一種有力工具。

1 西林瓶升溫曲線模型建立

西林瓶的升溫曲線直接影響到熱風(fēng)循環(huán)所使用的風(fēng)溫、風(fēng)速以及網(wǎng)帶運行速度。是設(shè)計隧道滅菌烘箱時必須要考慮的關(guān)鍵因素。然而，目前即使是西林瓶的生產(chǎn)廠家也并沒有對西林瓶升溫曲線做細(xì)致研究。隧道滅菌烘箱的生產(chǎn)廠家也是依靠經(jīng)驗來確定風(fēng)溫、風(fēng)速、網(wǎng)帶運行速度。這必然會導(dǎo)致控制精度不夠高，以及預(yù)留量太大，造成能源浪費。

1.1 幾何模型建立

利用Gambit 軟件建立一個西林瓶的升溫空間并進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2]，如圖1 所示上方藍(lán)色為熱風(fēng)進(jìn)口，為速度進(jìn)口，下方紅色為熱風(fēng)出口，為壓力出口。四面為對稱面。以此模型為基礎(chǔ)。分別進(jìn)行溫度為300℃，速度為0.7 m/s；溫度為300℃，速度為0.9 m/s；溫度為350℃，速度為0.7 m/s；溫度為350℃，速度為0.9 m/s；溫度為380℃，速度為0.7 m/s；溫度為380℃，速度為0.9 m/s 等6 組不同條件下的升溫模擬。

圖1 西林瓶的升溫空間并進(jìn)行網(wǎng)格圖

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

要模擬西林瓶受熱升溫情況必須要建立合理的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行如下假設(shè)：空氣為不可壓縮性氣體，忽略內(nèi)部各表面的輻射換熱?；谝陨霞僭O(shè)，采用分離式求解，其主要數(shù)學(xué)模型如下：

質(zhì)量守恒方程：

Navier-Stokes 方程：

式中

符號Su、SV和SW是動量守恒方程的廣義源項。

能量守恒方程：

式中 cp— 比熱容；

k — 流體的傳熱系數(shù)；

T — 溫度；

ST— 流體的內(nèi)熱源以及由于黏性作用流體機(jī)械 能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，有時也簡稱其為黏 性耗散項[3]。

選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，與之相對應(yīng)的輸運方程為：

式（7）和（8）中，Gb表示由于浮力引起的湍動能k 的產(chǎn)生項，YM表示可壓湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能k 的產(chǎn)生項，C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，σk和σε分別是與湍動能k 和耗散率ε 對應(yīng)的Prandtl 數(shù)，Sk和Sε是用戶定義的源項[4]。

湍動耗散率：

湍動黏度：

2 結(jié)果分析

選取了西林瓶瓶口上部（ps），西林瓶中部（pz），西林瓶瓶底（pd），西林瓶瓶底中心（pdzx）四點跟蹤其升溫曲線[5]。模擬結(jié)果如圖2：

由圖2～圖7 可知，ps 曲線與pz 曲線幾乎重合，說明西林瓶瓶口上部（ps）和西林瓶中部（pz）在熱風(fēng)下升溫趨勢一致，并且能迅速升溫。圖中所示紅色曲線為西林瓶瓶底（pd）升溫曲線，可以清楚看到瓶底升溫趨勢低于瓶口上部與瓶中部。白色曲線即瓶底中心（pdzx），升溫最慢，為西林瓶升溫時的最冷點，這與實際生產(chǎn)中西林瓶底部中心為最冷點是一致的[6]。只有保證該點的溫度才能確保去熱源的有效性。由圖2，圖3 可知，西林瓶在熱風(fēng)溫度為300℃的情況下很難快速升溫到滅菌所要求的至少300℃，至少要800 s 以后才會很接近300℃。由圖4 可知西林瓶升溫到300℃所需時間為230 s 左右，由圖5 可知西林瓶升溫到300℃所需時間為200 s 左右，由圖6 可知西林瓶升溫到300℃所需時間為210 s 左右，由圖7 可知西林瓶升溫到300℃所需時間為180 s 左右。

圖2 300℃ 0.7 m/s 時升溫曲線圖

圖3 300℃ 0.9 m/s 時升溫曲線圖

圖4 350℃ 0.7 m/s 時升溫曲線圖

圖5 350℃ 0.9 m/s 時升溫曲線圖

圖6 380℃ 0.7 m/s 時升溫曲線圖

圖7 380℃ 0.9 m/s 時升溫曲線圖

圖8 烘箱的溫度與時間曲線圖

圖8 為南京博建科技有限公司對烘箱測試時采用熱風(fēng)為350℃，0.7 m/s 左右時所獲得的不同點溫度升溫曲線圖，由圖8 可知，烘箱溫度要達(dá)到300℃需要6 min 左右，該值比上述模擬值稍大，主要在于模擬時簡化為一個西林瓶在穩(wěn)定風(fēng)溫風(fēng)速下的受熱情況，沒有考慮到烘箱的結(jié)構(gòu)及其他因素的影響。但是，所模擬出的西林瓶升溫趨勢及受熱情況還是具有參考價值的，對選擇合理的風(fēng)溫、風(fēng)速及網(wǎng)帶運行速度有輔助作用。由模擬可知隨著溫度升高，風(fēng)速加快，西林瓶的升溫曲線更加陡峭。但是隨著溫度升高，風(fēng)速加快，西林瓶不同部位的升溫差別逐漸加大，這必然會導(dǎo)致破瓶的風(fēng)險[7]。

綜上所述，為了確保西林瓶能夠快速升溫，并且減少破瓶的風(fēng)險。推薦選擇溫度為350℃，風(fēng)速為0.7 m/s 的熱風(fēng)進(jìn)行干燥滅菌，并且依據(jù)此升溫曲線合理設(shè)計網(wǎng)帶運行速度。

3 結(jié)論與展望

本文旨在對fluent 模擬軟件用于西林瓶升溫做出嘗試。通過模擬西林瓶升溫曲線獲得溫度為350℃，風(fēng)速為0.7 m/s 的熱風(fēng)進(jìn)行干燥滅菌是較為合理的運行參數(shù)。為工業(yè)生產(chǎn)提供參考價值，雖然本文僅限于軟件模擬但仍不失為一次有意義的嘗試。可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，計算機(jī)輔助制藥設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計必將成為非常重要的手段。

[1] Fluent I N C. FLUENT 6.1 User’s Guide[J]. Lebanon (NH), Fluent Inc, 2003.

[2] Inc F. GAMBIT 6.2 User's guide[J]. 2005.

[3] Handbook of numerical heat transfer[M]. New York etc.: Wiley, 1988.

[4] 王福軍. 計算流體動力學(xué)分析 —CFD 軟件原理與應(yīng)用 [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004 .

[5] Purlis E, Salvadori V O. Bread baking as a moving boundary problem. Part 2: Model validation and numerical simulation[J]. Journal of Food Engineering, 2009, 91(3): 434-442.

[6] Aleixo J A G, Swaminathan B, Jamesen K S, et al. Destruction of pathogenic bacteria in turkeys roasted in microwave ovens[J]. Journal of Food Science, 1985, 50(4): 873-875.

[7] Hung J C, Gibbons R J. Breakage of technetium-99m-sestamibi vial with the use of a microwave oven[J]. Journal of Nuclear Medicine, 1992, 33(1): 176-178.