طراحی اتاقک مواجهه تنفسی حیوانات آزمایشگاهی با ذرات معلق به کمک شبیه سازی عددی

مقدمه: معمولا در مطالعات سم شناسی ذرات آلاینده هوابرد، از اتاقکهای مواجهه تنفسی استفاده می شود که مسئولیت تامین و توزیع یکنواخت و پایدار اتمسفر آزمایشی را در منطقه تنفسی حیوانات آزمایشگاهی برعهده دارند. مطالعه حاضر با هدف طراحی، ارزیابی و بهینه سازی یک اتاقک مواجهه تمام بدن، ویژه مواجهه حیوانات آزمایشگاهی کوچک با آلاینده های ذره ای انجام شد.روش کار: ابتدا مقالات و منابع علمی که جزئیات فنی و عملکرد اتاقک های مواجهه را بیان کرده بودند استخراج شد و مزایا، معایب و عوامل موثر بر عملکرد آنها تعیین گردید. سپس با لحاظ اصول دینامیک سیالات و شرایط استاندارد نگهداری حیوانات آزمایشگاهی، فرضیات طرح اولیه اتاقک تهیه شد. برای ایجاد توزیع یکنواخت ذرات در داخل اتاقک، از صفحات هدایت کننده جریان در مخروط فوقانی استفاده شد. به منظور بهینه سازی طرح اولیه از روش شبیه سازی عددی و نرم افزار ansys fluent استفاده شد. ترسیم هندسه اتاقکها با استفاده از نرم افزار design modeler و شبکه بندی میدان محاسباتی با استفاده از نرم افزار ansys meshing انجام شد. ذرات استفاده شده دارای میانگین قطر آئرودینامیکی 10 میکرومتر، کروی، بدون بار و دارای چگالی 1400 کیلوگرم بر متر مکعب بوده و با سرعت گاز حامل وارد اتاقک شد. نمونه برداری غلظت ذرات در اتاقکها، در راستای شعاع استوانه و در فواصل 10 سانتی متری بر روی محور x انجام شد. سپس درصد ضریب تغییرات غلظت برای هر خط محاسبه شد. در تحلیل نهایی نتایج، طرح هندسه ای که دارای کمترین مقدار ضریب تغییرات غلظت ذرات در طول خط منتخب نمونه برداری بود، به عنوان بهترین طرح اتاقک انتخاب شد. یافته ها: اتاقک مواجهه تنفسی بهینه سازی شده در این مطالعه، دارای جریان دینامیک و شامل یک استوانه با دو مخروط فوقانی و تحتانی است. جریان دو فازی گاز و ذرات معلق از دهانه مخروط فوقانی وارد و ضمن گذر از صفحات هدایت کننده، در محیط داخلی اتاقک توزیع و از مخروط تحتانی خارج میگردد. مدلهای پیش فرض آشفتگی discrete phase model و k- ε توانایی مدل کردن این مساله را داشته و در نهایت طرح شماره 7 با کمترین ضریب تغییرات غلظت معادل 4.08 درصد طرح بهینه بدست آمد.نتیجه گیری: روش شبیه سازی عددی که برای طراحی و بهینه سازی این اتاقک استفاده شد، توانست با صرف هزینه بسیار کمتری نسبت به روشهای تجربی، اطلاعات جامعی از میدان حل را فراهم نماید. تحلیل این اطلاعات منجر به انتخاب بهترین طرح اتاقک مواجهه برای تامین غلظت یکنواخت و پایدار ذرات آزمایشی در منطقه تنفسی حیوان شد.

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

Introduction: Usually, in the toxicological studies of airborne particulate pollutants, inhalation exposure chambers are used for providing and distributing the test atmosphere uniformly and stability in the respiratory zone of laboratory animals. The purpose of this study was to design, evaluate and optimize a wholebody exposure chamber, specifically for small laboratory animals exposed to particulate matter.Material and Methods: In the first, the papers and scientific resources which had provided the technical details and performance of the inhalation exposure chambers were studied, and the advantages, disadvantages and those factors affecting their performance were extracted. Then the assumptions of the initial design of the chamber were prepared with regard to the principles of fluid dynamics and the standard conditions of lab animal housing. To create a uniform distribution of particles inside the chamber, guide plates of flow were used in the upper cone. Numerical simulation and ANSYS Fluent software were used to optimize the initial design. Drawing geometry of the chambers was done using Design modeler software and meshing of the computational field using ANSYS meshing software. The particles used had a mean aerodynamic diameter of 10 μm, spherical, inert, and a density of 1,400 kg. m^3 and entered the chamber at the carrier gas velocity. Particle concentration was measured in the chambers along the cylindrical radius at 10 cm intervals on the xaxis. Then the percentage of variation coefficient of the particle concentration for each line was calculated. In the final analysis of the results, the geometry design with the lowest coefficient of variation of particle concentration along the selected sampling line was selected as the best chamber design.Results: The optimized inhalation chamber has a dynamical flow and consists of a cylinder with two upper and lower cones. The flow enters from the upper cone and after passes through the guide plates, distributes in the interior of the chamber and exits from the lower cone. The kε turbulence and Discrete Phase Models could have modeled this problem. Design No. 7 was optimal design with the lowest coefficient of variation of the concentration (4.08%).Conclusion: The numerical simulation method for planning and optimizing of the chambers, at a much lower cost than the empirical methods, was able to provide comprehensive information on the solution field. The analysis of this information led to the selection of the best chamber design to provide uniform concentration of the particles in the respiratory region of the animals.