طراحي اتاقك مواجهه تنفسي حيوانات آزمايشگاهي با ذرات معلق به كمك شبيه سازي عددي

Design of an Inhalation Chamber to Expose Laboratory Animals with Suspended Particulate Matter Using Numerical Simulation Method

مقدمه: معمولا در مطالعات سم شناسي ذرات آلاينده هوابرد، از اتاقك هاي مواجهه تنفسي استفاده مي شود كه مسئوليت تامين و توزيع يكنواخت و پايدار اتمسفر آزمايشي را در منطقه تنفسي حيوانات آزمايشگاهي برعهده دارند. مطالعه حاضر با هدف طراحي، ارزيابي و بهينه سازي يك اتاقك مواجهه تمام بدن، ويژه مواجهه حيوانات آزمايشگاهي كوچك با آلاينده هاي ذره اي انجام شد. روش كار: ابتدا مقالات و منابع علمي كه جزئيات فني و عملكرد اتاقك هاي مواجهه را بيان كرده بودند استخراج شد و مزايا، معايب و عوامل موثر بر عملكرد آنها تعيين گرديد. سپس با لحاظ اصول ديناميك سيالات و شرايط استاندارد نگهداري حيوانات آزمايشگاهي، فرضيات طرح اوليه اتاقك تهيه شد. براي ايجاد توزيع يكنواخت ذرات در داخل اتاقك، از صفحات هدايت كننده جريان در مخروط فوقاني استفاده شد. به منظور بهينه سازي طرح اوليه از روش شبيه سازي عددي و نرم افزار ANSYS Fluent استفاده شد. ترسيم هندسه اتاقك ها با استفاده از نرم افزار Design modeler و شبكه بندي ميدان محاسباتي با استفاده از نرم افزار ANSYS meshing انجام شد. ذرات استفاده شده داراي ميانگين قطر آئروديناميكي 10 ميكرومتر، كروي، بدون بار و داراي چگالي 1400 كيلوگرم بر متر مكعب بوده و با سرعت گاز حامل وارد اتاقك شد. نمونه برداري غلظت ذرات در اتاقك ها، در راستاي شعاع استوانه و در فواصل 10 سانتي متري بر روي محور xانجام شد. سپس درصد ضريب تغييرات غلظت براي هر خط محاسبه شد. در تحليل نهايي نتايج، طرح هندسه اي كه داراي كمترين مقدار ضريب تغييرات غلظت ذرات در طول خط منتخب نمونه برداري بود، به عنوان بهترين طرح اتاقك انتخاب شد. يافته ها: اتاقك مواجهه تنفسي بهينه سازي شده در اين مطالعه، داراي جريان ديناميك و شامل يك استوانه با دو مخروط فوقاني و تحتاني است. جريان دو فازي گاز و ذرات معلق از دهانه مخروط فوقاني وارد و ضمن گذر از صفحات هدايت كننده، در محيط داخلي اتاقك توزيع و از مخروط تحتاني خارج مي گردد. مدل هاي پيش فرض آشفتگي k- ε و Discrete Phase Model توانايي مدل كردن اين مساله را داشته و در نهايت طرح شماره 7 با كمترين ضريب تغييرات غلظت معادل 4/08 درصد طرح بهينه بدست آمد. نتيجه گيري: روش شبيه سازي عددي كه براي طراحي و بهينه سازي اين اتاقك استفاده شد، توانست با صرف هزينه بسيار كمتري نسبت به روش هاي تجربي، اطلاعات جامعي از ميدان حل را فراهم نمايد. تحليل اين اطلاعات منجر به انتخاب بهترين طرح اتاقك مواجهه براي تامين غلظت يكنواخت و پايدار ذرات آزمايشي در منطقه تنفسي حيوان شد.

Introduction: In toxicological studies of particulate matter (PM), inhalation exposure chambers (IEC) are usually used for distributing the test atmosphere uniformly and stability in the respiratory zone of laboratory animals. This study was aimed to design, evaluate and optimize a whole-body IEC, to expose small laboratory animals with PM. Material and Methods: The initial design of the chamber was determined based on the advantages and disadvantages of the existing chambers. To create a uniform distribution of particles, metal guide plates were used in the upper cone. ANSYS Fluent software was used for numerical simulation and optimize the initial design. The used particles had a mean aerodynamic diameter of 10 microns. Particle concentration was measured along the cylindrical radius at 10 cm intervals on the x-axis. Then the percentage of variation coefficient (CV%) of the particle concentration for each line was calculated. The design with the lowest CV% was selected as the best chamber design. Results: The optimized design has a cylinder section with two upper and lower cones, and two guide plates and its CV equal to 4.08%. Conclusion: The optimized design was provided with a uniform and stable distribution of the particles to expose small laboratory animals.