一种基于CFD方法的细胞分离旋流器数值模拟方法

本发明涉及计算机数据处理技术领域，具体而言，涉及一种基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法。

背景技术：

哺乳动物细胞广泛用于疫苗制备的重组治疗蛋白、单克隆抗体和病毒中。在商业化的哺乳动物细胞生产过程中，灌注培养的应用依赖于合适、高效、操作简单的细胞保留装置。

旋流器使用与离心机相同的分离原理，但旋流器没有移动部件，因此其适合在无菌条件下运行，是一种低成本和完全免维护的设备。旋流器的特点是体积小、现场灭菌性、坚固性、可重复使用性和对较高处理量的适应性等，这些特点使得旋流器与其他细胞分离系统相比具有明显的优点。

目前对细胞在旋流器的分离过程研究方法需要使用实际细胞分离旋流器，其对于设备条件要求较高，需要花费大量资金和精力。

技术实现要素：

基于此，为了解决目前对细胞在旋流器的分离过程研究方法对于设备条件要求较高，需要花费大量资金和精力的问题，本发明提供了一种基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法，其具体技术方案如下：

一种基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法，其包括如下步骤：

构建旋流器模型；

对所述旋流器模型进行网格划分；

对网格划分后的所述旋流器模型进行边界条件以及离散相颗粒设定；

对设定边界条件以及离散相颗粒的所述旋流器模型进行求解以及后处理。

所述基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法通过构建旋流器模型，并基于所述旋流器模型完成细胞在旋流器的分离过程的数值模拟计算，很好地结合了实验测量方法和理论分析方法的优势，既简化了真实流场过程，便于场参数的求解，同时又能保证求解结果的准确性，与传统实验方法相比具有实验设备占地面积小、实验条件要求简单、实验周期短、占用资金少等一系列优点。

即是说，所述基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法解决了目前对细胞在旋流器的分离过程研究方法对于设备条件要求较高，需要花费大量资金和精力的问题，对于研究分析细胞在旋流器内的分离过程以及分离效率有很好的参考意义。

进一步地，在构建旋流器模型前还包括如下步骤：

根据公式db＝19.5qm^0.5ρm^0.25δpm^-0.25以及计算所述旋流器模型的直径范围db，并取所述直径范围的中值为所述旋流器模型的基本直径；

确定所述旋流器模型的圆柱段长度l1、入口直径di、入口长宽比l/b、溢流管插入深度h、溢流口直径do、底流口直径du；

其中，δ为细胞密度，qm为单个水力旋流器生产能力范围，cw为细胞悬浮液质量浓度，δpm为给料压力，ρm为细胞悬浮液密度。

进一步地，所述对所述旋流器模型进行网格划分的具体方法为：以进料口底面为分界将所述旋流器模型分成上下两部分后，对所述旋流器的上下两部分分别进行网格划分。

进一步地，通过ansysicemcfd软件对所述旋流器的上下两部分分别进行网格划分，通过ansysfluent软件对网格划分后的所述旋流器模型进行边界条件以及离散相颗粒设定。

进一步地，所述旋流器模型为雷诺应力模型，连续相模拟采用欧拉方法，入口采用匀速边界条件，两个出口均设为常压出口，压力速度耦合采用simplec算法，离散格式中压力采用presto！格式，湍流动能选择二阶，雷诺应力选择一阶。

进一步地，所述边界条件中的湍流强度、细胞悬浮液体积浓度以及细胞悬浮液粘度分别通过公式以及μm＝0.001003*(1+2.5cv+10.05cv²+0.00273exp(16.6cv))计算而得；

其中，νi为入口速度，μm为细胞悬浮液粘度，dh为管道内径。

进一步地，颗粒追踪采用拉格朗日框架，对颗粒注入进行模拟以及轨迹计算采用离散相模型，颗粒追踪按照预估最大行程设定捕捉步数以及步长。

进一步地，通过ansysfluent软件对设定边界条件以及离散相颗粒的所述旋流器模型进行求解以及后处理。

进一步地，所述通过ansysfluent软件对设定边界条件以及离散相颗粒的所述旋流器模型进行求解以及后处理的具体方法为：将所述旋流器输入fluentsolver内进行计算以及后处理，得到速度场的分布结果图、颗粒运动轨迹追踪图以及细胞分离效率。

相应地，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1是本发明一实施例中一种基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法的整体流程示意图；

图2是本发明一实施例中一种基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法的旋流器模型的3d示意图；

图3是本发明一实施例中一种基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法的颗粒运动轨迹追踪图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

如图1所示，本发明一实施例中的一种基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法，其包括如下步骤：

构建旋流器模型；

对所述旋流器模型进行网格划分；

对网格划分后的所述旋流器模型进行边界条件以及离散相颗粒设定；

对设定边界条件以及离散相颗粒的所述旋流器模型进行求解以及后处理，以实现所述基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法。

所述基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法通过构建旋流器模型，并基于所述旋流器模型完成细胞在旋流器的分离过程的数值模拟计算，很好地结合了实验测量方法和理论分析方法的优势，既简化了真实流场过程，便于场参数的求解，同时又能保证求解结果的准确性，与传统实验方法相比具有实验设备占地面积小、实验条件要求简单、实验周期短、占用资金少等一系列优点。

即是说，所述基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法解决了目前对细胞在旋流器的分离过程研究方法对于设备条件要求较高，需要花费大量资金和精力的问题，对于研究分析细胞在旋流器内的分离过程以及分离效率有很好的参考意义。

在其中一个实施例中，如图2所示，先确定所述旋流器的尺寸，然后再根据所述旋流器的尺寸通过3d绘图软件构建所述旋流器模型。具体而言，所述旋流器模型包括顶部溢流出口、双切向入口、圆柱段、圆锥段以及底部出口，确定所述旋流器的尺寸的具体方法包括如下步骤：

根据公式db＝19.5qm^0.5ρm^0.25δpm^-0.25以及计算所述旋流器模型的直径范围db，并取所述直径范围的中值为所述旋流器模型的基本直径dc；

确定所述旋流器模型的圆柱段长度l1＝0.7*dc、入口直径di＝0.2*dc、入口长宽比l/b＝0.44、溢流管插入深度h＝0.35*dc、溢流口直径do＝0.15*dc、底流口直径du＝0.2*dc；

其中，δ为细胞密度，qm为单个水力旋流器生产能力范围，cw为细胞悬浮液质量浓度，δpm为给料压力，ρm为细胞悬浮液密度。

在其中一个实施例中，所述圆柱段直径、圆柱段长度、入口直径、溢流管插入深度分别为5mm、3.6mm、0.71mm以及1.67mm，所述溢流口直径、底流口直径分别为0.75mm以及1mm，所述旋流器模型的锥形长度l2为38.6mm。

在其中一个实施例中，所述对所述旋流器模型进行网格划分的具体方法为：以进料口底面为分界将所述旋流器模型分成上下两部分后，对所述旋流器的上下两部分分别进行网格划分。

具体而言，将所述旋流器模型的进料管与圆柱段上半部分作为整体进行网格划分。针对本发明所述旋流器模型，其网格数量为150万个。

与传统的进料管、圆柱段单独网格划分相比，以进料口底面为分界将所述旋流器模型分成上下两部分后，对所述旋流器的上下两部分分别进行网格划分能够有效避免因入口切于圆柱段壁面区域的收尾段体积过小而造成的网格质量问题。

在对所述旋流器模型进行网格划分后，需要对网格质量进行检查。当网格质量检查通过后，所述旋流器模型网格质量检查所生成的mesh文件用于导入到ansysfluent软件。

在其中一个实施例中，通过ansysicemcfd软件对所述旋流器的上下两部分分别进行网格划分，通过ansysfluent软件对网格划分后的所述旋流器模型进行边界条件以及离散相颗粒设定。

在其中一个实施例中，所述旋流器模型为雷诺应力模型，连续相模拟采用欧拉方法，入口采用匀速边界条件，两个出口均设为常压出口，压力速度耦合采用simplec(semi-implicitmethodforpressurelinkedequationsconsistent，连续压力耦合方程组的半隐式)算法，离散格式中压力采用presto！格式，湍流动能选择二阶，雷诺应力选择一阶。

为了保证所述基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法求解的精确性，所述旋流器模型的尺寸残差的收敛值设置为1e-4。

在其中一个实施例中，所述边界条件中的湍流强度、细胞悬浮液体积浓度以及细胞悬浮液粘度分别通过公式以及μm＝0.001003*(1+2.5cv+10.05cv²+0.00273exp(16.6cv))计算而得；

其中，νi为入口速度，μm为细胞悬浮液粘度，dh为管道内径。

在其中一个实施例中，颗粒追踪采用拉格朗日框架，对细胞颗粒注入进行模拟以及轨迹计算采用离散相模型，颗粒追踪按照预估最大行程设定捕捉步数以及步长，所述颗粒粒径尺寸为5mm至20mm，密度为1150kg/m³，质量流率为0.00437kg/s，并启用颗粒与连续相的双相耦合，顶部出口的dpm参数设置为“escape”，底部出口的dpm参数设置为“trap”。

在其中一个实施例中，通过ansysfluent软件对设定边界条件以及离散相颗粒的所述旋流器模型进行求解以及后处理。

具体而言，如图3所示，将所述旋流器输入fluentsolver内进行计算以及后处理，得到速度场的分布结果图、颗粒运动轨迹追踪图以及细胞分离效率。所述细胞分离效率根据公式计算而得，nu为底流口流出的颗粒数量，no为溢流口流出的颗粒数量。

在其中一个实施例中，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述的基于cfd方法的细胞分离旋流器数值模拟方法。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。