CPAP呼吸机压力发生器内部流场的数值模拟研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.8MB 59 页 15积分

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摘要

据中国睡眠研究会 2009 年公布的一项关于睡眠质量的调查报告显示，我国近

40%的成年人患有不同程度的睡眠疾病，且这一数字正呈现不断增长的趋势。其中

属阻塞型睡眠呼吸暂停（Obstructive Sleep Apnea Syndromes，OSAS）最为常见，

且发病率较高，有潜在的危害性。目前，OSAS 的治疗手段包括：一般疗法、持续

气道正压通气疗法(Continuous Positive Airway Pressure, CPAP)、手术及药物疗法

等，其中一般疗法通常特指运动，改变睡眠体位，戒烟酒等。

CPAP 作为最为安全、

有效的治疗 OSAS 的首选疗法，其性能的好坏备受关注。压力发生器是 CPAP 呼

吸机的主要部件，实质上是一个小型的离心式风机，它有叶轮和蜗壳两部分组成。

本文以压力发生器为主要研究对象，旨在模拟内部的流体流动状态来揭示真实的

流动现象，并通过对模拟结果的分析来反映此压力发生器的性能，并做出相关评

价。

论文的主要内容包括三维建模、数值模拟、数据分析三块。在三维建模方面，

主要针对压力发生器的叶轮和蜗壳流域进行了简化模型的建立。本课题选用

SolidWorks 软件作为主要的建模工具，通过对实物模型的测绘、造型、布尔运算，

最终得到计算域模型。在数值模拟方面，本研究选用专业的商用 CFD 软件 FLUENT

作为主要的流体模拟工具，通过对模型的网格化处理、控制方程的建立、初始条

件的设置、计算过程的收敛，最终以云图、矢量图、散点图等形式得到流动参数

的模拟结果。在数据分析方面，主要针对流场的压力、速度、噪声等性能参数做

相关分析，最终得到整个压力发生器的综合性能评估。

本论文从流动特性出发，证实了此 CPAP 呼吸机所采用的压力发生器的综合

性能较好，这一研究对相关的性能评价和优化改进具有重要的参考价值。对国产

呼吸机来说，本方法的应用有利于缩短压力发生器的设计研制周期、同时缩减了

开发成本，具有一定的实用价值。

关键词：OSAS CPAP 呼吸机 CFD 数值模拟噪声

ABSTRACT

The China Sleep Research Society released a report about the sleep quality for

2009, it shows nearly 40 percent of adults in china suffer from sleep disorder in varying

degrees, and the number is constantly increasing. Among all of these, the obstructive

sleep apnea syndrome (OSAS) is the most common disease with high incidences and

potential perniciousness. At present, the treatments for OSAS involve four main means

which common therapy, Continuous Positive Airway Pressure (CPAP), surgery and

medication therapy. Normally the common therapy refers specifically to the form of

exercising, changing sleep’s posture, quitting smoking and alcohol drinking. However,

CPAP therapy as the most effective and safest method in treating OSAS has become the

primary choice and because of this it’s performance attracts more and more people’s

attention. Being the major part of the CPAP ventilator, pressure generator is essentially

a smaller centrifugal fan, and including impeller and volute. This article carried out a

research based on the pressure generator, aimed to simulate the internal flow status and

obtain the distribution of the flow field. On these bases, it could reveal the real flow

phenomenon and reflect the pressure generator’s performance characteristics. Finally,

according all of these, the evaluation result about the pressure generator is presented in

this paper.

In this thesis, it mainly contained three parts as follows: 3D modeling, numerical

simulation and data analyzing. In the modeling, a simplified model for the flow field of

pressure generator’s impeller and volute was established. Here the software of

SolidWorks was selected as the main modeling tool to gain the model of computation

domain, which was achieved after mapping, modeling, and Boolean operation. In the

simulation, FLUENT was selected as the professional commercial CFD software to do

some tasks. By it, we meshed, established the governing equations, set the initial

conditions, made the calculation process convergence, and get the simulated result in

the shape of cloud picture, vector diagram and scatter diagram etc. In the analyzing,

some performance parameters like pressure, velocity and noise were selected as the

main object for the further study. After that, the synthetic performance of the pressure

generator could be gained.

Beginning from the flow characteristics, this paper has proved the fine complex

quality of the CPAP ventilator’s pressure generator, which could provide some

referential value for the performance assessment and structural optimization. For the

domestic ventilator, it provides a method which is good for reducing the cycle of

designing and saving the costs of development. In general, this method is very useful

and practical.

Key words: OSAS，CPAP ventilator，CFD，numerical simulation，

noise

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 引言 ......................................................... 1

§1.1.1 与呼吸相关的睡眠障碍 .................................... 1

§1.1.2 OSAS 的常见治疗手法 ..................................... 3

§1.2 呼吸机 ....................................................... 3

§1.2.1 呼吸机简介 .............................................. 3

§1.2.2 国内外睡眠呼吸机的发展 .................................. 4

§1.3 计算流体力学（CFD）简介 ..................................... 5

§1.3.1 CFD 简介 ................................................ 5

§1.3.2 CFD 的发展 .............................................. 6

§1.3.3 CFD 的工作步骤 .......................................... 6

§1.3.4 FLUENT 软件的应用 ...................................... 7

§1.4 CFD 在生物医学工程中的应用 ................................... 8

§1.5 本课题的目的及意义 ........................................... 9

§1.6 本章小结 .................................................... 10

第二章 CPAP 呼吸机简介 ..............................................11

§2.1 压力发生器 .................................................. 11

§2.1.1 压力发生器的结构 ....................................... 11

§2.1.2 压力发生器的工作原理 ................................... 12

§2.2 CPAP 呼吸机的治疗原理 ....................................... 13

§2.2.1 阻塞型睡眠呼吸暂停综合征（OSAS）的发病机制 ............ 13

§2.2.2 CPAP 呼吸机的作用机制 .................................. 14

§2.3 CPAP 呼吸机的临床治疗效果 ................................... 15

§2.4 本章小结 .................................................... 16

第三章压力发生器三维数值模拟 ....................................... 17

§3.1 三维模型 .................................................... 17

§3.1.1 叶轮模型 ............................................... 18

§3.1.2 蜗壳模型 ............................................... 19

§3.1.3 压力发生器流道模型的形成 ............................... 19

§3.2 网格分析 .................................................... 20

§3.3 数值模拟方法 ................................................ 22

§3.4 边界条件 .................................................... 25

§3.4.1 进口边界条件 ........................................... 26

§3.4.2 出口边界条件 ........................................... 26

§3.4.3 壁面边界条件 ........................................... 26

§3.4.4 相交面条件 ............................................. 27

§3.5 初始条件 .................................................... 27

§3.6 本章小结 .................................................... 27

第四章计算结果及分析 ............................................... 28

§4.1 压力发生器内部流场特性分析 .................................. 28

§4.1.1 残差曲线 ............................................... 28

§4.1.2 叶轮区域流场分析 ....................................... 29

§4.1.3 蜗壳区域流场分析 ....................................... 31

§4.2 不同转速下蜗壳出口压力、速度的分析 .......................... 33

§4.2.1 收敛监控 ............................................... 34

§4.2.2 出口流速 ............................................... 37

§4.2.3 出口总压 ............................................... 38

§4.3 本章小结 .................................................... 41

第五章压力发生器的噪声预测 ......................................... 42

§5.1 噪声基本理论 ................................................ 42

§5.1.1 噪声产生的原因 ......................................... 42

§5.1.2 噪声对人体健康的影响 ................................... 43

§5.1.3 气动噪声的预估方法 ..................................... 43

§5.2 计算结果与讨论 .............................................. 44

§5.2.1 叶轮模型噪声预测 ....................................... 44

§5.2.2 蜗壳模型噪声预测 ....................................... 46

§5.3 本章小结 .................................................... 48

第六章总结与展望 ................................................... 49

§6.1 全文总结 .................................................... 49

§6.2 研究展望 .................................................... 50

参考文献 ............................................................ 52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 55

第一章绪论

所谓养生之诀，当以善睡居先，睡能还精，睡能养气，睡能健脾益胃，睡能

坚骨壮筋。

——清.李渔

§1.1 引言

睡眠作为人类或不可缺的基本生命活动，占用着人一生三分之一的时间，在

这期间人们的生活及工作质量都深受其影响，它还是直接关乎人类寿命的几大因

素之一。自 2001 年国际上将每年的 3月21 日定为“世界睡眠日”起，睡眠健康

受到了世界各国人士的关注，而中国在 2003 年也引入了这一概念，并且很快被人

们所接受，这同样也唤起了国人对睡眠健康的认识。

据2009 年中国睡眠研究学会关于一项睡眠质量的调查报告显示，我国近 40%

的成年人患有不同程度的睡眠疾病，而其中属老年人所占的比例最大，世界卫生

组织也曾对 2万余名来自多个国家地区的就诊病人做过调查，发现近三成的人士

同样存在着睡眠问题，更有数据显示，睡眠疾病的患者人数也在不断增长之中。

国外学者曾就这一疾病做过深入的研究，发现睡眠疾病[1、2]一般与高血压、冠心

病等心血管疾病以及糖尿病、抑郁症等密切相关，它对个人的警觉性、注意力等

都产生了不利的影响，易造成免疫力下降，记忆力衰退等不良症状，严重影响人

们的日常生活。

由2005 年发布的新版国际睡眠疾病分类（ICSD-2）可知，睡眠疾病大致可

划分为 8大类总计多达 90 余种，而其中失眠以及与呼吸相关的睡眠障碍这两类疾

病在这八大类中所占的比例最大，且发病率最高。单就睡眠呼吸障碍疾病而言，

据相关专家估计，在我国的病患近达 5000 万人次，由于受地区以及观念影响，相

当多的人并没有得到相应的诊断和治疗，而目前在国际上关于这类疾病的诊治已

经成为各国人士共同关注的一个焦点。

§1.1.1 与呼吸相关的睡眠障碍

参考国际睡眠疾病的分类方法[3]，与呼吸相关的睡眠障碍可分为中枢型睡眠

呼吸暂停综合征(Central Sleep Apnea Syndromes，CSAS)，阻塞型睡眠呼吸暂停综

合征(Obstructive Sleep Apnea Syndromes，OSAS)，睡眠相关的低通气\低血氧综合

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摘要据中国睡眠研究会2009年公布的一项关于睡眠质量的调查报告显示，我国近40%的成年人患有不同程度的睡眠疾病，且这一数字正呈现不断增长的趋势。其中属阻塞型睡眠呼吸暂停（ObstructiveSleepApneaSyndromes，OSAS）最为常见，且发病率较高，有潜在的危害性。目前，OSAS的治疗手段包括：一般疗法、持续气道正压通气疗法(ContinuousPositiveAirwayPressure,CPAP)、手术及药物疗法等，其中一般疗法通常特指运动，改变睡眠体位，戒烟酒等。CPAP作为最为安全、有效的治疗OSAS的首选疗法，其性能的好坏备受关注。压力发生器是CPAP呼吸机的主要部件...

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