基于fluent的西林瓶升溫曲線模擬

王炳剛 于 穎* 盧存義

（1.中國(guó)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(guó)內(nèi)對(duì)于西林瓶在隧道滅菌烘箱內(nèi)的升溫趨勢(shì)及影響因素的研究鮮有報(bào)道。合理的升溫趨勢(shì)既可以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能以降低破瓶的風(fēng)險(xiǎn)。所以，設(shè)計(jì)合理的升溫趨勢(shì)是非常有必要的。

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)大多依靠仿制和經(jīng)驗(yàn)。而fluent軟件具有強(qiáng)大的流體模擬功能，fluent 軟件對(duì)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(cè)空氣在加熱西林瓶時(shí)的升溫曲線。從而為設(shè)計(jì)合理的升溫趨勢(shì)提供有力依據(jù)，成為隧道烘箱設(shè)計(jì)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(yùn)行速度。是設(shè)計(jì)隧道滅菌烘箱時(shí)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(duì)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(yàn)來確定風(fēng)溫、風(fēng)速、網(wǎng)帶運(yùn)行速度。這必然會(huì)導(dǎo)致控制精度不夠高，以及預(yù)留量太大，造成能源浪費(fèi)。

1.1 幾何模型建立

利用Gambit 軟件建立一個(gè)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(duì)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。基于以上假設(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(hào)Su、SV和SW是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

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(shí)也簡(jiǎn)稱其為黏 性耗散項(xiàng)[3]。

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

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

湍動(dòng)耗散率：

湍動(dòng)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(diǎn)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(shì)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(shì)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(shí)的最冷點(diǎn)，這與實(shí)際生產(chǎn)中西林瓶底部中心為最冷點(diǎn)是一致的[6]。只有保證該點(diǎn)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(huì)很接近300℃。由圖4 可知西林瓶升溫到300℃所需時(shí)間為230 s 左右，由圖5 可知西林瓶升溫到300℃所需時(shí)間為200 s 左右，由圖6 可知西林瓶升溫到300℃所需時(shí)間為210 s 左右，由圖7 可知西林瓶升溫到300℃所需時(shí)間為180 s 左右。

圖2 300℃ 0.7 m/s 時(shí)升溫曲線圖

圖3 300℃ 0.9 m/s 時(shí)升溫曲線圖

圖4 350℃ 0.7 m/s 時(shí)升溫曲線圖

圖5 350℃ 0.9 m/s 時(shí)升溫曲線圖

圖6 380℃ 0.7 m/s 時(shí)升溫曲線圖

圖7 380℃ 0.9 m/s 時(shí)升溫曲線圖

圖8 烘箱的溫度與時(shí)間曲線圖

圖8 為南京博建科技有限公司對(duì)烘箱測(cè)試時(shí)采用熱風(fēng)為350℃，0.7 m/s 左右時(shí)所獲得的不同點(diǎn)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(shí)簡(jiǎn)化為一個(gè)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(shì)及受熱情況還是具有參考價(jià)值的，對(duì)選擇合理的風(fēng)溫、風(fēng)速及網(wǎng)帶運(yùn)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(huì)導(dǎo)致破瓶的風(fēng)險(xiǎn)[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(xiǎn)。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(jì)網(wǎng)帶運(yùn)行速度。

3 結(jié)論與展望

本文旨在對(duì)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(yùn)行參數(shù)。為工業(yè)生產(chǎn)提供參考價(jià)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(jì)算機(jī)輔助制藥設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必將成為非常重要的手段。

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

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[4] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)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 .

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