(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東廣州 510640；2.華南理工大學(xué)聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640)

引言

中耳氣壓傷[1-2]，是一種由于外界氣壓變化過(guò)快過(guò)大，而中耳腔內(nèi)不能及時(shí)根據(jù)這種變化做出相應(yīng)調(diào)整，使得耳鼓膜兩側(cè)的壓強(qiáng)差過(guò)大而導(dǎo)致的氣壓性損傷。這種氣壓性損傷多發(fā)生在飛行、潛水以及醫(yī)院的高壓氧艙治療上，不僅會(huì)讓人感到耳鳴、耳痛，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致鼓膜穿孔，影響聽(tīng)力[3]。

許多學(xué)者[4-6]認(rèn)為飛行中耳氣壓傷產(chǎn)生的原因與咽鼓管的功能有關(guān)，認(rèn)為咽鼓管具有“活瓣”功能，使氣體進(jìn)出咽鼓管的難易程度不一。當(dāng)飛機(jī)起飛時(shí)，中耳鼓室相對(duì)機(jī)艙壓力形成正壓力梯度，在這種壓力驅(qū)動(dòng)下，咽鼓管可以主動(dòng)開(kāi)放與外界氣體進(jìn)行交換；而飛機(jī)降落時(shí)則形成負(fù)壓力梯度，咽鼓管被動(dòng)開(kāi)放，較難與外界連通，因此飛機(jī)降落時(shí)耳朵的痛感更明顯。

目前針對(duì)飛行中耳氣壓傷，普遍采用捏鼻鼓氣法進(jìn)行緩解，也有提出新興治療方法[7]和佩戴緩沖減壓耳塞[8]，但新興療法沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范，緩沖減壓耳塞只是簡(jiǎn)單降噪，這些方法并未從根本上降低鼓膜兩側(cè)氣壓差，減輕中耳氣壓傷。因此，本研究提出從咽鼓管著手設(shè)計(jì)飛行耳塞使鼓膜外側(cè)模擬鼓膜內(nèi)側(cè)的氣體流動(dòng)特性，從而平衡鼓膜兩側(cè)的氣壓差，減輕中耳氣壓傷。

1 飛行耳塞模型設(shè)計(jì)

將外耳道、鼓膜與咽鼓管道的聯(lián)系，抽象為圖1所示的鼓膜兩側(cè)氣體流動(dòng)的理想模型。由于外耳道口與咽鼓管道口均與外界相通，因此在2個(gè)道口的氣壓均當(dāng)作機(jī)艙氣壓pc，為了分析鼓膜外側(cè)(即鼓膜與外耳道連通側(cè))氣壓po與鼓膜內(nèi)側(cè)(即鼓膜與咽鼓管道連通側(cè))氣壓pi之間的關(guān)系，由伯努利方程可得，鼓膜外側(cè)的氣壓量為：

(1)

同理，鼓膜內(nèi)側(cè)的氣壓量為：

(2)

式中，Δu2, Δz,Σhf分別為2個(gè)通道口到鼓膜側(cè)的速度差，高度差以及阻力損失；下標(biāo)o表示鼓膜外側(cè)，下標(biāo)i表示鼓膜內(nèi)側(cè)。由圖1可以看到，咽鼓管自身的構(gòu)造，使其具有更大的速度差，高度差和阻力損失。為了減小鼓膜內(nèi)外側(cè)氣壓差，設(shè)計(jì)的飛行耳塞應(yīng)當(dāng)輔助外耳道提高這3個(gè)值。

1.外耳道 2.鼓膜 3.咽鼓管道圖1 鼓膜兩側(cè)氣體流動(dòng)的理想模型

1.1 仿咽鼓管外形設(shè)計(jì)

咽鼓管[9]作為中耳鼓室與外界相通的唯一通道，其構(gòu)造從鼓室到咽鼓管軟骨部越來(lái)越窄，而后越來(lái)越寬，到咽鼓管咽口處直徑最大，呈雙曲線狀。設(shè)計(jì)飛行耳塞如圖2所示，可以改善外耳道的速度差、高度差及阻力損失。

1.2 仿咽鼓管功能設(shè)計(jì)

為了改善效果更加顯著，在圖2飛行耳塞示意圖中設(shè)置了1個(gè)固體球閥。球閥在常態(tài)下由于自重而處于耳塞管的下方，堵住與外界的通道，營(yíng)造常態(tài)下咽鼓管閉合的狀態(tài)；當(dāng)氣流突變時(shí)，球閥在管內(nèi)上下浮動(dòng)，營(yíng)造非常態(tài)下咽鼓管開(kāi)放的狀態(tài)。球閥的存在不僅增大了氣流的阻力損失，其上下浮動(dòng)使截流面積不斷發(fā)生變化，速度差也得到提高。

圖2 飛行耳塞示意圖

以飛機(jī)降落過(guò)程為例。飛機(jī)降落時(shí)，機(jī)艙氣壓逐漸增大，而鼓膜兩側(cè)氣體的增壓速率較低，因此氣體會(huì)在機(jī)艙對(duì)鼓膜內(nèi)外側(cè)的正壓力梯度作用下，從機(jī)艙經(jīng)外耳道向鼓膜外側(cè)，以及從機(jī)艙經(jīng)咽鼓管道向鼓膜內(nèi)側(cè)流動(dòng)。流動(dòng)過(guò)程中，固體球閥的受力分析圖如圖3所示。氣流在機(jī)艙對(duì)鼓膜外側(cè)的正壓力梯度作用下將固體球閥托起，此時(shí)固體球閥除了受自身的重力作用G外，還受到由于機(jī)艙與鼓膜外側(cè)的氣壓差導(dǎo)致的迎面壓差阻力F1，以及來(lái)自氣流的浮力F2，其中，固體球閥自身的重力G為：

G=ρb·Vb·g

(3)

圖3 固體球閥受力分析圖

迎面壓差阻力F1為：

F1=Δp·A

(4)

浮力F2為：

F2=ρ0·Vb·g

(5)

式中，ρb—— 球閥的密度

ρ0—— 空氣的密度

Vb—— 球閥的體積

Δp—— 球閥上下兩端的氣壓差

A—— 球閥的迎流面積

g—— 重力常數(shù)

由于氣體的密度遠(yuǎn)小于固體球閥的密度，因此，氣流對(duì)固體球閥的浮力可忽略。此外，氣壓的波動(dòng)變化，使得固體球閥上下兩端的氣壓差不停變化，即固體球閥所受的迎面壓差阻力F1并非定值。

當(dāng)F1>G時(shí)，固體球閥向上浮動(dòng)；

當(dāng)F1

固體球閥在雙曲線型耳塞管中上下浮動(dòng)，如圖4所示。對(duì)同一個(gè)耳塞，固體球閥的重力G以及迎流面積A均為常數(shù)。當(dāng)固體球閥的迎面壓差阻力增大，固體球閥從圖4a位置浮動(dòng)到圖4b位置時(shí)，球閥與管壁的間隙變小，氣體更難通過(guò)，氣體增壓減小，導(dǎo)致迎面壓差阻力的降低，繼而球閥向下運(yùn)動(dòng)，循環(huán)往復(fù)，形成一個(gè)負(fù)反饋的調(diào)節(jié)結(jié)果，從而調(diào)節(jié)耳鼓膜外側(cè)的氣壓。

圖4 球閥浮動(dòng)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)

當(dāng)氣流過(guò)大，固體球閥運(yùn)動(dòng)到耳塞管的頂端，造成一定程度的堵塞，使得絕大部分氣體無(wú)法進(jìn)入鼓膜外側(cè)，保證鼓膜外側(cè)的氣壓不會(huì)繼續(xù)增大，從而減小了耳鼓膜兩側(cè)的氣壓差，避免中耳氣壓傷的發(fā)生，如圖4c所示。

1.3 其他設(shè)計(jì)

機(jī)艙內(nèi)的低頻噪音強(qiáng)度較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，為了減輕其對(duì)人體的影響，利用空氣經(jīng)過(guò)小孔后在球閥內(nèi)部碰撞和摩擦，將一部分的聲能轉(zhuǎn)化為熱能，使噪音減弱的原理[10]，對(duì)球閥進(jìn)行開(kāi)孔處理。由于球閥開(kāi)孔后，氣體經(jīng)過(guò)球閥時(shí)除了可以從球閥與耳塞管內(nèi)壁的間隙通過(guò)外，只能從球閥上的小孔通過(guò)，一方面使氣體通過(guò)的阻力損失增大，有助于鼓膜兩側(cè)氣壓的調(diào)節(jié)，另一方面則減小耳塞對(duì)正常聽(tīng)聲的影響，如圖5所示。

圖5 固體球閥與開(kāi)孔球閥的比較

2 飛行耳塞數(shù)值模擬

設(shè)置普通直管和仿咽鼓管作為對(duì)照組，固體球閥管與開(kāi)孔球閥管作為實(shí)驗(yàn)組，各模型的主要參數(shù)大致如圖6所示。由于Fluent上的模擬是對(duì)流體通道進(jìn)行模擬，因此在UG上所建立的三維模型均為不同管道耳塞的流體通道模型，如圖7所示。類似地對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定[11]。將建立的三維模型導(dǎo)入GAMBIT軟件中，針對(duì)飛機(jī)起飛和降落兩種不同過(guò)程的模擬，模型邊界設(shè)定如表1所示，此外，設(shè)置通過(guò)模型的實(shí)體為FLUID。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(TGrid)劃分，易于計(jì)算和控制，選定劃分網(wǎng)格的Interval size值，完成劃分。

圖6 固體球閥管耳塞主要參數(shù)圖

圖7 4種不同管道耳塞的流體通道模型

將劃分好的網(wǎng)格存儲(chǔ)為Mesh文件輸出，導(dǎo)入到Fluent軟件中，將模型的單位調(diào)整為毫米，并進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查；求解器默認(rèn)為基于壓力法的求解器(Pressure-Based)，解決以絕對(duì)速度(Absolute)處理的穩(wěn)態(tài)(Steady)問(wèn)題；選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，對(duì)模型的參數(shù)和邊界條件以及壓力出口邊界的回流條件進(jìn)行設(shè)定，如表2所示，一般情況下，機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)速度為0.2 m/s左右；以SIMPLE格式的求解方法對(duì)模型初始化完畢后，進(jìn)行迭代求解，迭代次數(shù)為500。

表1 模型邊界設(shè)定

表2 數(shù)值模擬參數(shù)擬定

2.1 網(wǎng)格獨(dú)立性質(zhì)量分析

網(wǎng)格的劃分對(duì)計(jì)算量和計(jì)算結(jié)果有著一定影響。在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)4種管道耳塞的流體通道模型選用不同的Interval size，完成網(wǎng)格的劃分后，導(dǎo)入Fluent進(jìn)行數(shù)值求解，輸出相應(yīng)結(jié)果。通過(guò)觀察取值是否隨著網(wǎng)格密度越大而趨于收斂，判定計(jì)算結(jié)果的可信度，以此確定合適的Interval size。

以降落模擬過(guò)程為例，在GAMBIT中設(shè)置耳塞入耳端為自由流出邊界，底端為速度進(jìn)口邊界，對(duì)普通直管耳塞，不斷減小Interval size的數(shù)值大小，網(wǎng)格數(shù)量不斷增大，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 普通直管Interval size與網(wǎng)格數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

類似地，對(duì)仿咽鼓管，固體球閥管以及開(kāi)孔球閥管耳塞模型作相應(yīng)處理，按照不同Interval size的值對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，導(dǎo)入Fluent中迭代求解，輸出模型入耳端面的動(dòng)態(tài)壓力值，并取其平均值作為計(jì)算結(jié)果，則得到如圖8所示網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)圖。

圖8 網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

由圖8可見(jiàn)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，4種管道耳塞入耳端的動(dòng)態(tài)壓力值也不斷變化，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)300萬(wàn)時(shí)，取值基本不變，說(shuō)明網(wǎng)格劃分較細(xì)時(shí)，計(jì)算結(jié)果的可信度較高?？紤]到計(jì)算量以及計(jì)算結(jié)果的可信度，對(duì)普通直管、仿咽鼓管、固體球閥管以及開(kāi)孔球閥管耳塞模型的Interval size最終取值情況如表4所示。

表4 耳塞模型最終Interval size

2.2 鼓膜外側(cè)氣壓變化率模擬

按照最終Interval size值對(duì)4種耳塞模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以及迭代計(jì)算。迭代完成可以得到形如圖9所示的端面變化云圖。單一地觀察耳塞入耳端或底端的壓力變化云圖并不能對(duì)耳塞的調(diào)壓性能進(jìn)行比較，在此定義鼓膜外側(cè)的氣壓變化率，它表示機(jī)艙側(cè)氣壓的變化對(duì)鼓膜外側(cè)氣壓變化的影響。若鼓膜外側(cè)的氣壓變化率越大，說(shuō)明機(jī)艙側(cè)氣壓的變化對(duì)鼓膜外側(cè)氣壓變化的影響越大，即該管道的耳塞調(diào)壓性能越差。

圖9 端面變化云圖

表5 起飛模擬過(guò)程鼓膜外側(cè)氣壓變化率

表6 降落模擬過(guò)程鼓膜外側(cè)氣壓變化率

2.3 鼓膜外側(cè)氣流速度模擬

同樣,對(duì)不同耳塞模型分別截取其入耳端截面的速度變化云圖，并在Fluent上將不同耳塞入耳端處速度云圖的不同點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的速度值輸出，得到不同管道耳塞入耳端面上各點(diǎn)的速度值，并取其均值即鼓膜外側(cè)的氣流速度v，如表7所示。

表7 鼓膜外側(cè)平均氣流速度 m/s

2.4 模擬結(jié)果分析

從表5和表6可以看出，降落模擬中鼓膜外側(cè)氣壓變化率均比起飛模擬中的高，驗(yàn)證了飛機(jī)降落時(shí)中耳氣壓傷更嚴(yán)重的說(shuō)法。此外，在兩個(gè)模擬過(guò)程中，普通直管耳塞的鼓膜外側(cè)氣壓變化率較大，仿咽鼓管耳塞次之，固體球閥耳塞與開(kāi)孔球閥耳塞的鼓膜外側(cè)氣壓變化率最小，說(shuō)明了模仿咽鼓管功能設(shè)計(jì)的重要性。耳塞中含有固體球閥或開(kāi)孔球閥，能夠上下浮動(dòng)模仿咽鼓管的自啟閉功能，不管在起飛還是降落時(shí)對(duì)鼓膜外側(cè)氣壓都能起到較大的調(diào)節(jié)作用，即具有雙向調(diào)壓功能。

從表7可以看出，普通直管耳塞與仿咽鼓管耳塞使得鼓膜外側(cè)的平均氣流速度較大，而固體球閥耳塞與開(kāi)孔球閥耳塞的則相對(duì)小很多。一般而言，人耳對(duì)速度小于0.1 m/s的氣體流動(dòng)不太敏感，但是當(dāng)氣體運(yùn)動(dòng)速度大于0.3 m/s時(shí)，人耳會(huì)明顯感到空氣流動(dòng)[12]，因此產(chǎn)生不舒服的感覺(jué)。從模擬的結(jié)果來(lái)說(shuō)，固體球閥與開(kāi)孔球閥耳塞在進(jìn)行氣壓調(diào)節(jié)時(shí)，使鼓膜外側(cè)的氣流更加平穩(wěn)，大大減小了氣流對(duì)人耳的沖擊。

3 飛行耳塞氣流實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由固定架、紙片、角度傳感器、飛行耳塞、氣球等組成，如圖10所示，用于比較不同耳塞的調(diào)壓性能。所用耳塞模型通過(guò)3D打印制成，所用角度傳感器為維特智能公司的九軸藍(lán)牙姿態(tài)傳感器，該傳感器配有上位機(jī)功能，當(dāng)USB-HID模塊感應(yīng)到傳感器的變化時(shí)，上位機(jī)即可通過(guò)姿態(tài)解算，輸出高精度、高穩(wěn)定的三軸加速度、三軸陀螺儀、三軸角度以及三軸磁場(chǎng)，如圖11所示。

圖10 飛行耳塞氣流實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖11 角度傳感器界面

當(dāng)氣球內(nèi)的氣體經(jīng)過(guò)耳塞后沖出，對(duì)傳感器施加一個(gè)作用力F，使傳感器發(fā)生偏移。作用力越大，傳感器的偏移量也越大，說(shuō)明傳感器所受的氣壓越大，即耳塞的調(diào)壓性能越差，如圖12所示。

圖12 傳感器受氣體的沖擊而偏移

定義氣流速率u:

u=θ/τ

(6)

式中，θ—— 傳感器偏移量

τ—— 氣體完全逸出氣球的時(shí)間

u越大，說(shuō)明傳感器偏移的角度越大或者氣體完全逸出氣球的時(shí)間越小，即調(diào)壓性能越差。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 用打氣筒給氣球打氣，固定打氣量，將氣球套在耳塞的底端，進(jìn)行降落模擬氣流實(shí)驗(yàn)；

(2) 使耳塞的入耳端輕輕貼近傳感器中央，待傳感器平穩(wěn)后，開(kāi)啟傳感器上位機(jī)系統(tǒng)的記錄功能；

(3) 松開(kāi)氣球口并啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，待氣球內(nèi)氣體完全逸出后停止計(jì)時(shí)，記錄氣球完全逸出的時(shí)間；

(4) 記錄系統(tǒng)上顯示傳感器角度偏移的數(shù)據(jù)；

(5) 重復(fù)步驟式(1)～式(4)，并根據(jù)式(6)算出耳塞在降落模擬氣流實(shí)驗(yàn)中的平均氣流速率；

(6) 而在起飛模擬氣流實(shí)驗(yàn)中，將氣球套在耳塞的入耳端，耳塞的底端貼近傳感器，其余步驟同上。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由角度傳感器的上位機(jī)系統(tǒng)可得到如圖13所示的實(shí)驗(yàn)曲線圖，從圖中可以直觀看出，在4種耳塞作用下傳感器偏移的情況：普通直管偏移較大，仿咽鼓管次之，固體球閥與開(kāi)孔球閥管偏移最小。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到表8的傳感器在不同耳塞作用下的平均偏置角度，以及表9的不同耳塞的平均氣流速率。

從表中看出，球閥型的耳塞在起飛模擬以及降落模擬氣流實(shí)驗(yàn)中不僅使傳感器偏移較小，還使得氣體流動(dòng)速率減小。說(shuō)明耳塞管內(nèi)具有球閥使其調(diào)壓性能較好，且能雙向調(diào)壓。同時(shí)，球閥在耳塞內(nèi)起到阻隔作用，這種阻隔使得低氣壓區(qū)不會(huì)持續(xù)增壓(或高氣壓區(qū)不會(huì)持續(xù)降壓)，降低了非常態(tài)情況下飛行時(shí)機(jī)艙氣壓對(duì)鼓膜外側(cè)氣壓的影響，與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。

圖13 上位機(jī)顯示實(shí)驗(yàn)曲線圖

表8 傳感器在不同耳塞作用下的平均偏置角度 (°)

表9 不同耳塞的平均氣流速率 (°)/s

4 結(jié)論

在明確中耳氣壓傷與咽鼓管的功能有著直接且重要的關(guān)系后，本研究提出一種仿咽鼓管的耳部壓力平衡調(diào)節(jié)技術(shù)，設(shè)計(jì)在氣流作用下能上下浮動(dòng)的固體球閥或開(kāi)孔球閥來(lái)模仿咽鼓管自啟閉功能的飛行耳塞，并進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的比較。在模擬和實(shí)驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)，只是單純模仿咽鼓管的形狀雖然對(duì)氣壓的調(diào)節(jié)起到有利的作用，但其作用有限；而固體球閥與開(kāi)孔球閥管耳塞由于球閥的上下浮動(dòng)模仿咽鼓管啟閉的功能，其調(diào)壓性能明顯更好，且能達(dá)到雙向調(diào)壓效果。同時(shí)因?yàn)榍蜷y在上下浮動(dòng)時(shí)對(duì)氣流的阻隔作用，使得鼓膜外側(cè)氣壓不容易受到外界氣壓變化的影響，為便捷減輕飛行中耳氣壓傷提供了借鑒思路，目前已有部分試用，反饋效果較好。而對(duì)于飛行耳塞中球閥開(kāi)孔與否、孔的數(shù)量、孔徑大小、球閥的數(shù)量、球閥的大小等對(duì)調(diào)壓性能的影響，以及這種飛行耳塞在潛水和高壓氧治療環(huán)境中的適用性將在后續(xù)的研究中繼續(xù)完善。