细颗粒雾化过程机理与多尺度数值建模研究

Fine particle (0.1-1μm) aerosolisation which is widely applied in the energy, chemical, and environmental pharmaceutical industry, is the key technology of dry powder inhaler (DPI) which is the most promising inhalation device. However, the understanding of aerosolisation mechanism is still limit, leading to DPI technology in China is still blank. In the proposed project, the ‘general mathematical expression for aerosolisation mechanism of the meso-scale fine agglomerate’ will be presented by the particle-scale (micro-scale) experimental and numerical studies which aim to investigate the effect and control mechanism of multiple parameters on the aerosolisation process. Based on these models, CFD-DEM (Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method) simulation platform for aerosolisation process of the meso-scale fine agglomerate will be developed to simulate 3D macro-scale aerosolisation process in DPIs. This project expects to provide a solid theoretical basis for the research and development of novel and efficient DPI, and promote the development and application of multi-scale modelling and meso-scale theory on interdisciplinary research.

细颗粒（0.1~10微米）雾化在能源、化工、环境、医药等领域有广泛的应用背景，是吸入给药装置中最具发展前景的干粉吸入器（DPI）的核心技术。但目前对细颗粒雾化机理尚缺乏系统认识，使我国DPI技术处于空白状态。本项目通过颗粒尺度（微尺度）的实验和数值模拟平台对介尺度颗粒聚团雾化过程进行深入研究，揭示多种参数对其雾化程度的影响及控制机制，建立“介尺度颗粒聚团雾化机制通用数学表达框架”。在此基础上，建立基于介尺度理论的气固耦合（CFD-DEM）数值模拟平台，实现真实尺度DPI中宏观雾化过程三维数值模拟。本项目预计将为我国研发新型高效DPI提供坚实的理论基础，促进气固两相流多尺度建模和介尺度理论在学科交叉前沿领域的发展和应用。

吸入粉雾剂在治疗呼吸系统及全身性疾病中具有广阔的市场需求和应用前景。然而肺部药物递送是多学科交叉领域，研发难度极大，尤其对影响吸入粉雾剂疗效的关键因素：处方组成的理化特性、装置的设计、药粉的分散机制和患者的吸入方法的研究尚不充分。干粉吸入器作为最具前景的吸入给药装置，其颗粒雾化机理尚缺乏系统的认识，我国DPI技术处于空白状态。. 本项目通过搭建颗粒尺度的实验和数值模拟平台对介尺度颗粒聚团雾化过程进行研究，揭示了颗粒聚团碰撞雾化分散的具体机理过程。研究了颗粒碰撞参数及流场参数对聚团雾化的影响。建立了碰撞能和粘附能的定量关系。建立了“介尺度颗粒聚团雾化机制通用的数学表达框架”。在此基础上，建立基于介尺度理论的气固耦合（CFD-DEM）数值模拟平台，实现真实尺度DPI中宏观雾化过程的三维数值模拟。基于建立的平台开展了DPI装置仿真模拟及装置结合人体呼吸道结构的三维模拟等应用研究。. 本项目预计将为我国研发新型高效DPI提供坚实的理论基础，促进气固两相流多尺度建模和介尺度理论在学科交叉前沿领域的发展和应用。同时对吸入制剂的开发优化、装置设计、提高体内外相关性等应用方面具有重要的科学意义和应用价值。