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Mixture和Species模型模拟低速通风管道内气体混合时的差异分析

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东华大学学报（自然科学版） 2022年第2期48卷 100-104页

作者：王浩亢燕铭钟珂张宁波东华大学环境科学与工程学院上海201620 上海市安装工程集团有限公司上海200080

污染气体的扩散过程受到湍流扩散和分子扩散的共同作用,湍流扩散随着气流速度的减小而减弱,因此低速通风管道内污染气体扩散过程的数值模拟对扩散模型的选择更加敏感。探究了Fluent软件中两种污染气体扩散模型(Mixture和Species)用于模... 详细信息

污染气体的扩散过程受到湍流扩散和分子扩散的共同作用,湍流扩散随着气流速度的减小而减弱,因此低速通风管道内污染气体扩散过程的数值模拟对扩散模型的选择更加敏感。探究了Fluent软件中两种污染气体扩散模型(Mixture和Species)用于模拟低速通风管道中多组分气体混合时的计算结果差异及其原因。结果表明:由于Species模型额外考虑了组分质量守恒定律,因此计算得到的污染气体浓度分布均匀性明显大于Mixture模型的情况;随着污染源释放速度增大,管道内污染气体浓度分布均匀性增加,但两种模型的计算结果差异不变。因此,可以认为Species模型在低速通风管道内多组分气体混合问题上具有更好的适应性。

关键词： Mixture模型 Species模型低速通风管道气体混合均匀性数值模拟

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细胞培养气体混合控制系统研究

细胞培养气体混合控制系统研究

作者：王春晨军事科学院

学位级别：硕士

目的:研究发现,气体环境是影响细胞体外培养效果的重要因素。氧气能够支持细胞呼吸,供给细胞生长需要的能量,不同类型的细胞对待氧气的需求不同;二氧化碳能够调节培养液的酸碱度,对细胞培养意义重大。二氧化碳还是植物细胞生长不可或缺... 详细信息

目的:研究发现,气体环境是影响细胞体外培养效果的重要因素。氧气能够支持细胞呼吸,供给细胞生长需要的能量,不同类型的细胞对待氧气的需求不同;二氧化碳能够调节培养液的酸碱度,对细胞培养意义重大。二氧化碳还是植物细胞生长不可或缺的元素。多种气体混合装置能够为细胞培养提供理想的气体环境,它们的控制方式各有特色,但是分析系统性能发现这些装置在通用性和控制效果方面都存在不足。常规PID参数调节过于依赖操作人员经验水平,在处理复杂系统时存在控制精度低等问题,因此使用常规PID控制气体混合控制系统容易造成控制性能差,难以取得理想的控制效果。本文对气体混合控制系统进行深入研究,针对系统存在的问题,提出一种基于改进遗传算法优化PID的气体混合控制系统。这种控制系统一方面可以通用不同类型的细胞培养设备,另一方面使用闭环PID控制,同时利用改进遗传算法整定优化PID参数,能够快速提供高精度的混合气体,满足不同细胞培养实验的需要。方法与内容:本文主要从气体混合控制系统的通用性和控制性能两方面着手,设计一种基于改进遗传算法优化PID的气体混合控制系统,主要进行的工作是:(1)气体混合控制系统整体方案设计。对气体混合控制系统的现状进行调研分析,总结各类控制系统存在的不足,提出一种基于质量流量动态配置技术的气体混合控制系统。分析系统需要实现的功能,根据细胞培养的需要设定目标参数。完成系统控制结构设计,并提出基于遗传算法优化PID的控制方案。(2)控制系统硬件设计。系统硬件部分主要包括气体流量控制及检测模块、气体浓度检测模块、控制芯片与人机交互模块组成的上位机、气路控制电路,以及串口通信和电源的选择。气体流量控制和检测传感器选用的是LF400型质量流量控制器,该型号质量流量控制器既能够对气体流量进行精确控制,又可以对实时流量值进行检测。混合气体中二氧化碳浓度使用SGA-MK-CO模块进行检测,该模块使用NDIR红外CO检测技术;氧气浓度使用SGA-MK-O模块进行检测,该模块采用电化学测量技术。控制芯片选用了台达DVP14SS211R型PLC,其性能稳定,能够连接多种类型的I/O模块,满足系统设计的需要。人机交互接口采用TPC7062TX型嵌入式一体化触摸屏,该型号触摸屏具有独立的开发平台,简化了人机交互系统软件开发的复杂度。气路控制主要指通过PLC发送指令控制继电器,继电器控制电磁阀的开关,实现对气路通断的控制。(3)控制系统软件程序设计。首先建立系统数学模型,基于系统模型的特点,设计基于遗传算法优化PID的系统控制方法。分析标准遗传算法的不足,进行改进设计:在初始种群的选取中加入Ziegler-Nichols整定法,降低初始种群的盲目性;对常见的比例选择算子进行优化,提出一种改进的比例选择算子,降低适应度高的个体被误舍弃的概率;交叉和变异概率的选取采用自适应方法。然后利用梯度图程序语言进行PLC程序开发,人机接口程序在MCGS组态软件中进行开发设计。(4)系统性能分析。首先进行仿真实验研究,将基于改进遗传算法优化PID、基于改进ZN法整定PID控制方法和基于标准遗传算法优化PID三种控制方法进行对比;然后进行样机实验:验证基于改进遗传算法优化PID的实际控制性能;测试系统样机的性能是否达到预定的控制指标;最后进行了细胞培养实验,验证气体混合控制系统在细胞培养实验中的实际应用效果。通过实验结果讨论分析系统的控制性能、改进控制方法的可行性和系统实际应用到实验中的效果。结果:分析仿真实验结果,基于改进遗传算法优化PID控制二氧化碳/空气混合系统得到的输出阶跃响应最大超调量近似为0,输出的稳定时间为72秒,控制算法在遗传23代后适应度趋于稳定;基于改进遗传算法优化PID控制氧气/空气混合系统得到的输出阶跃响应最大超调量近似为0,输出的稳定时间为22秒,控制算法在遗传29代后适应度趋于稳定;分析样机算法性能测试结果,基于改进遗传算法优化PID控制系统可以获得更低的超调量和达到输出稳定状态需要的时间更少;分析系统样机控制指标测试结果,系统能够实现设定的目标参数,控制精度低于1%;分析细胞培养实验结果,本系统能够为细胞生长提供所需的气体环境,促进细胞正常生长。因此,本文设计的基于改进遗传算法优化PID控制方法控制性能优于其他常规控制方法,且本系统实际应用效果较好,能够实现预定目标。结论:本文设计的基于改进遗传算法优化PID控制的气体混合控制系统,与目前已有的各类气体混合装置相比,一方面通用性更强,可以适用于各类细胞培养设备,另一方面控制性能更好,能够使系统混合精度更高且混合速度更快。因此,本文提出的基于改进遗传算法优化PID控制的气体混合控制系统更加适应于细胞培养设备,可以为细胞培养实验提供理想的气体环境。

关键词：细胞培养气体混合 PID 改进遗传算法控制性能

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喷动流化床气体混合特性实验研究

锅炉技术 2007年第5期38卷 25-29页

作者：郑守忠付金良中国水利电力物资有限公司北京100045 东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室江苏南京210096

在300 mm×30 mm×2 000 mm的喷动流化床煤部分气化炉冷态试验装置上,在喷动区和环形区同时采用了不同示踪气体的方法,获得了在不同喷动气流速和流化气流率这2个重要的操作参数下,不同床层高度上示踪气体的径向分布,考察了喷动区与环形... 详细信息

在300 mm×30 mm×2 000 mm的喷动流化床煤部分气化炉冷态试验装置上,在喷动区和环形区同时采用了不同示踪气体的方法,获得了在不同喷动气流速和流化气流率这2个重要的操作参数下,不同床层高度上示踪气体的径向分布,考察了喷动区与环形区之间的气体交换特性和环形区的气体混合特性。结果表明,喷动气速度的增大,使喷动气向环形区的传质加强,也促进了流化气在环形区的混合;流化气流率的增大,气体由环形区向喷动区的传质大于由喷动区向环形区的传质,且流化气在环形区的混合加强。喷动气和流化气的浓度沿床层高度依次降低。此外,结合CCD拍摄的流动结构图像,从气相质量交换的角度对床内的气固流动特性进行了讨论。

关键词：流态化喷动流化床气体混合

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氯化法钛白氧化过程中气体混合数值模拟

氯化法钛白氧化过程中气体混合数值模拟

作者：刘飞生昆明理工大学

学位级别：硕士

氯化法是目前生产高档钛白粉的先进技术,其中氧化过程是氯化法制取钛白工艺最关键的阶段,氧化反应器是工艺的核心设备,氧化反应器中气体的混合情况与反应器壁面结疤情况、产品的质量紧密关联。氯化法生产钛白工艺中氧化反应器内,高温O ... 详细信息

氯化法是目前生产高档钛白粉的先进技术,其中氧化过程是氯化法制取钛白工艺最关键的阶段,氧化反应器是工艺的核心设备,氧化反应器中气体的混合情况与反应器壁面结疤情况、产品的质量紧密关联。氯化法生产钛白工艺中氧化反应器内,高温O 2与预热的TiCl4(g)需要在极短的时间内和极小的空间内进行迅速、均匀、密切的混合,本文针对反应器内气体混合情况进行数值模拟计算,研究氧化反应器流场分布随各因素的变化趋势,为实际生产工艺中优化氧化反应器结构提供参考依据本文采用有限元分析软件ANSYS中DesignModeler建模组件构建氧化反应器3 D几何模型,并联立流体力学基本方程及湍流模型建立气体混合模型,通过ANSYS中FLUENT计算流体力学组件对气体混合模型进行数值模拟分析。根据已知文献的实验结果数据,采用两股常温空气模拟预热的TiCl4(g)与高温02(g),在模拟条件与实验条件完全相同的设置下,对两股空气的混合情况进行模拟计算分析,并将分析结果与实验结果进行比较通过分析可知,数值模拟得到的氧化反应器内浓度分布曲线随射流环结构与动量比的变化规律与实验得到的变化规律基本一致,验证了气体混合模型的准确性。采用气体混合模型进行预热的TiCl4(g)与高温02(g)混合计算,对氧化反应器内部的流场分布情况进行分析。通过对流场的分析可知,气体分布环对通入的预热TiCl4(g)有均匀分布的效果,射流环对TiCl4(g)进行加速射流的作用;轴向气流与射流气流混合时,有一部分轴向气流回流混合初始区域产生漩涡;射流气流与轴向气流混合时,混合气流速度变化较大,混合初始区域湍动急剧,湍动能及湍流耗散率较大;随着轴向距离逐渐增大,混合气体的气体分布不均匀度逐渐增大,气体混合不均匀度逐渐减小,气体混合越均匀分析了氧化过程中各因素改变时氧化反应器中各截面的射流气流径向相对摩尔分数分布情况,研究各因素对气体混合效应的影响规律。结果表明：在氧化反应器射流环结构固定的情况下,随着动量比增大,气体混合均匀性较好,但当动量比达到一定值时,继续增大动量比则气体混合均匀性降低;在射流环总开孔面积固定,且保持动量比及轴向气体流量不变的情况下,开孔数量对气体混合均匀性的影响与动量比相似,存在着一个最佳的射流环开孔数量,使气体混合均匀性达到最好;在射流环开孔数目固定不变时,射流环开孔率存在着固定值,当开孔率低于固定值时,氧化反应器内TiCl4(g)会形成回流现象,大于固定值时,则气体混合效果变差;氧气流量会对气体混合造成一定的影响,当氧气稍微过量时可以得到较好的气体混合效果。最后对综合因素影响的气体混合数值模拟结果进行方差分析,分析不同因素对气体混合均匀性的影响程度。结果表明射流环开孔数量和开孔率对气体混合均匀性具有显著的影响,而气体动量比、氧气流量对气体混合均匀性的影响则较小。

关键词：氯化法钛白氧化反应器气体混合数值模拟

喷动流化床内气体混合的实验研究和气固两相流动的数值模拟

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喷动流化床内气体混合的实验研究和气固两相流动的数值模拟

作者：付金良东南大学

学位级别：硕士

喷动流化床在工业上有着广泛的应用,然而迄今为止人们对床内的流体动力学特性还缺乏较为系统的研究,影响了设备的结构选型和参数优化。本文通过采用实验和数值模拟的方法,研究了喷动流化床内气体混合特性以及床内气固两相的流动特性。... 详细信息

喷动流化床在工业上有着广泛的应用,然而迄今为止人们对床内的流体动力学特性还缺乏较为系统的研究,影响了设备的结构选型和参数优化。本文通过采用实验和数值模拟的方法,研究了喷动流化床内气体混合特性以及床内气固两相的流动特性。实验部分,在300mm×30mm×2000mm的喷动流化床冷态试验台上,在喷动区和环形区分别采用CO和SO2作为示踪气体的方法,获得了不同喷动气流速和流化气流率这两个重要的操作参数下,不同床层高度上示踪气体的径向分布,考察了床内喷动区与环形区之间气体的混合特性。结果表明,示踪气体在不同床层高度的径向分布呈现较大的差异,并沿床层高度依次降低。在稳定的流动状态下,喷动气速度的增大,使喷动气向环形区的传质加强,也促进了流化气在环形区的混合;流化气流率的增大,气体由环形区向喷动区的传质大于由喷动区向环形区的传质,且流化气在环形区的混合加强。在不稳定的流动状态下,气体的径向浓度分布曲线两边出现不对称。数值模拟部分,本文采用FLUENT软件对喷动流化床内气固两相流进行了冷态数值模拟,完整地揭示了喷动流化床内气泡的形成、发展、破碎和射流的形成、发展、消失直到床内气固流动过渡到稳态的过程。并将数值模拟的结果和实验进行了全面的对照,验证了数值模拟结果和试验基本能够吻合。本文通过改变喷动气量和流化气量,对不同的模拟工况进行了数值模拟。并对这些模拟工况下的数值模拟结果作了相互比较和分析,归纳总结出了喷动气量和流化气量这两个重要参数的改变对喷动流化床内气固两相流动的影响。

关键词：流态化喷动流化床气体混合气体示踪技术数值模拟

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理想气体混合过程熵变的计算讨论

湖北科技学院学报 1986年第S1期 31-36页

作者：王恒煜

代入公式或,熵变的计算问题就在物理化学教学中,讲到理想气体熵变的计算,一般只要找出体系变化的始末态解决了。但实际上,我们遇到的一些问题有时不能简单代公式。本文将对理想气体混合过程熵变的计算中常见的几个问题,试从热力学和统... 详细信息

代入公式或,熵变的计算问题就在物理化学教学中,讲到理想气体熵变的计算,一般只要找出体系变化的始末态解决了。但实际上,我们遇到的一些问题有时不能简单代公式。本文将对理想气体混合过程熵变的计算中常见的几个问题,试从热力学和统计热力学角度展开初步讨论,不妥之处,敬请指正。

关键词：熵变理想气体热力学 AS 完全气体隔离板隔板气体混合

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CO2、Ar气体混合集中供气装置

焊接通讯 1982年第3期 9-10页

作者：龚新国南京船用辅机厂

混合气体保护焊接,已趋普遍推广使用。在外国,特别是西德,CO2、Ar混合气体保护焊接已被应用在船用机械、车辆的生产中,在重工业的各个行业中应用也很普遍。我厂与西德利布赫尔公司合作生产船用起重机——克令吊。在该公司所属的南茨厂... 详细信息

混合气体保护焊接,已趋普遍推广使用。在外国,特别是西德,CO2、Ar混合气体保护焊接已被应用在船用机械、车辆的生产中,在重工业的各个行业中应用也很普遍。我厂与西德利布赫尔公司合作生产船用起重机——克令吊。在该公司所属的南茨厂所有的冷焊件中全部采用CO2+Ar混合气体保护焊,手工电弧焊几乎全被淘汰。为此我厂在引进该项产品的制造中,同时引进了南茨厂的焊接工艺。采用了CO2、Ar气体混合集中供气装置,使用西德CLOOS产家的焊机,其效果良

关键词：集中供气 Ar 气体混合储气器减压表混合装置

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谈气体混合后压强的推证

天津教育 1988年第Z1期 67-68页

作者：武九续

在进行高中物理“气体的性质”教学时,常引入气体混合后压强的推证,以提高学生的智能。在讲授中,对于温度相等,压强分别为P1,P2,体积分别为V1,V2的两部分气体,其混合后的压强P,是依玻—马定律和道尔顿分压定律推证出的,为: P=（P1V1+P2V... 详细信息

在进行高中物理“气体的性质”教学时,常引入气体混合后压强的推证,以提高学生的智能。在讲授中,对于温度相等,压强分别为P1,P2,体积分别为V1,V2的两部分气体,其混合后的压强P,是依玻—马定律和道尔顿分压定律推证出的,为: P=（P1V1+P2V2）/（V1+V2）那么,对于温度不相等的两部分气体,其混合后的压强是否也可以依玻—马定律和道尔顿分压定律简捷地推出呢?本文拟作以研究,供教学参考。在两个体积为V1、V2的绝热容器内,分别贮有两种不同的气体,压强各是P1、P2,

关键词：气体混合道尔顿分压定律高中物理

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输气管道氮气置换过程气体混合规律数值模拟

石油矿场机械 2006年第5期35卷 31-34页

作者：郭谊民薛继军西南石油大学中国石油天然气集团公司管材研究所

目前,国内输气管道投产置换时,注入氮气用量主要依据人工经验确定,存在一定的盲目性.文章以长呼天然气输送管道投产为背景,对该管道投产置换过程进行了计算机数值模拟,获得了气体置换速度对混合段长度的影响规律,即气体的置换速度在2.81... 详细信息

目前,国内输气管道投产置换时,注入氮气用量主要依据人工经验确定,存在一定的盲目性.文章以长呼天然气输送管道投产为背景,对该管道投产置换过程进行了计算机数值模拟,获得了气体置换速度对混合段长度的影响规律,即气体的置换速度在2.81～6.50 m/s范围内,混合长度随着流速的增加而增大,但混合长度的增长率随流速的增加而降低.

关键词：输气管道气体混合注氮量数值模拟