專利名稱：應用譜帶流型觀測優(yōu)化設計色譜柱結構的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及液相色譜儀中的色譜柱的結構設計方法，尤其是一種應用譜帶流型觀測 優(yōu)化設計色譜柱結構的方法。
背景技術：
色譜法應用到生命科學、材料科學、環(huán)境科學、醫(yī)藥科學、食品科學、法庭科學以 及航天科學等研究領域。設計色譜柱結構比較先進的方法是通過觀測譜帶流型來確定色
譜柱結構。目前制備色譜譜帶流型的方法有-
1. 切柱法
YimT，GuiochonG丄Chromatogr.A, 1997,760:17-24介紹，將染料注入色譜柱中，在染 料流出柱子之前停泵，取出床層，沿主軸方向?qū)⑻畛浯矊忧虚_，用照相機拍攝，即可獲 得譜帶流型。該法優(yōu)點是操作簡單無需特殊設備，缺點是床層被破壞，且不能觀察到顏 料譜帶流型在柱內(nèi)的動態(tài)過程。
2. 核磁共振方法
利用核磁共振成像技術結合計算機圖像處理軟件，可以獲得樣品譜帶的流型。人們 用此方法研究床層結構，文獻Tallarek U,Albert K，Bayer E，Guiochon G. AICHE J.,1996,42:3041 。 粘度指型文獻 Plante L,Romano P, Fernandez E. Chem.Eng.Sci，1994,49:2229、 Dickson M,Norton T，F(xiàn)ernandez E.AICHE J.,1997,43:409、 Bayer E,Baumeister E，Talarek U,Albert K， Guiochon G丄Chromatogr. A, 1995,704:37。但核 磁共振儀器價格昂貴，若要獲得三維圖像，需要借助計算機對原始數(shù)據(jù)進行復雜計算， 使用上受到限制。
3. 可視化柱上檢測法
公開文獻馬繼平、關亞風制備液相色譜的流型研究《化學進展》2003， 15(1)25-30; 馬繼平、陳令新、朱道乾、關亞風臺錐形液相色譜柱內(nèi)譜帶流型的動態(tài)可視化研究《色 i普》2003， 21(2)106—109。
該法的色譜柱管采用透明材料，如玻璃，采用吸收可見光的樣品溶液。流動相、固 定相和柱子材料三者的折射率一致，使床層變得透明，將色譜柱浸入與色譜柱管材折射 率一致的溶液中。該裝置比較直觀、形象，獲取的信息量大而真實，是極佳的研究方法。 但目前這一裝置中使用CCL4進行折射率的補償，毒性較大，并且還需要建立一臺圖像 測量系統(tǒng)，價格比較昂貴,而且玻璃不能承受太高的壓力。
4. 柱上局部檢測法
文獻馬繼平、關亞風制備液相色譜的流型研究《化學進展》20(B， 15(1)25-30介紹。
3該方法不能直接觀察到譜帶的流型，而是通過檢測色譜柱內(nèi)床層底部徑向不同位置的流 速及柱效，繪制流型曲線。該方法優(yōu)點是在柱床出口處測量，避免經(jīng)過柱尾連接管等 死體積所產(chǎn)生的柱外效應，因此該方法與通常的檢測方法相比，數(shù)據(jù)更真實，有更高的 柱效，并且可以獲得色譜柱內(nèi)徑向流速分布情況。缺點是不能給出譜帶流型的縱向?qū)挾取?目前，該方法可以采用電化學和熒光檢測兩種方式。
由于譜帶流型的研究對色譜理論和實際應用都有重要意義，人們期盼能有一種簡便 易行的方法觀察到色譜柱內(nèi)流體的流動情況和色譜譜帶的流型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應用譜帶流型觀測優(yōu)化設計色譜柱結構的方法，設計制 作高質(zhì)量的色譜柱。
本發(fā)明提供的應用譜帶流型觀測優(yōu)化設計色譜柱結構的方法包括以下內(nèi)容
a) 依據(jù)色譜柱內(nèi)部結構和篩板、分配盤結構，采用三維畫圖軟件pro/e建立三維模 型，即分配盤、多孔篩板和填料三部分流體模型。
b) 用ICEMCFD軟件對模型劃分網(wǎng)格，劃網(wǎng)格時，模型尺寸大、表面幾何形狀沒 有突然變化的地方網(wǎng)格要劃的疏，模型尺寸小、表面幾何形狀有突然變化的地方網(wǎng)格劃 分的要密，網(wǎng)格大小為模型尺寸的1 2%，篩板和填料的形狀用六面體來劃。
c) 得到高質(zhì)量的網(wǎng)格后，以CFX的形式輸出，即fe叩eipan.cfx5， shaiban.cfx5， tianliao.cfk5，然后導入ANSYS CFX10.0中對模型施加邊界條件，進行求解，模型中流 體作為等溫、不可壓縮的湍流，選用標準的^-s湍流方程模型來計算整個流場，流體
密度和粘性系數(shù)視為常數(shù)，入口設置為恒定的壓力100atm，其它與壁表面接觸的流體邊 界在A^，z三個方向的速度都設置為零，在篩板和填料處的流動設置為均阻力，區(qū)域流
體出口壓力為一個標準大氣壓，設置完條件后開始運算，看其是否收斂，不收斂的話， 就改進模型網(wǎng)格，或改變色譜柱內(nèi)部結構和篩板、分配盤結構參數(shù)設置，直至收斂為止， 然后在CFX后處理器中對收斂的結果進行可視化分析，通過設置速度剖面圖觀察管內(nèi) 的流體流動情況，得到流體流型根據(jù)結構變化的規(guī)律，并模擬得到最優(yōu)化的柱子結構。 本發(fā)明提供的應用譜帶流型觀測優(yōu)化設計色譜柱結構的方法，與現(xiàn)有技術相比，其 顯著的有益效果在于釆用數(shù)值模擬方法可以直觀的觀測柱內(nèi)流體流動情況，形象地再 現(xiàn)流動場景，得到譜帶流型，并且可以利用軟件對結構反復修改而得到滿意的流型，從 而得到優(yōu)化的色譜柱結構。利用本發(fā)明制作的色譜柱不需要進行反復加工，減少了人力和物力的巨大耗費，縮短了設計周期。


圖1是色譜柱篩扳結構示意圖；圖2是色譜柱柱子內(nèi)壁結構示意圖；圖3是色譜柱 系統(tǒng)結構示意圖；圖4是色譜柱柱子的色譜峰圖。
具體實施例方式
a) 依據(jù)色譜柱內(nèi)部結構和篩板、分配盤結構，采用三維畫圖軟件pro/e建立三維模 型，即分配盤、多孔篩板和填料三部分流體模型。
b) 用ICEMCFD軟件對模型劃分網(wǎng)格，劃網(wǎng)格時，模型尺寸大、表面幾何形狀沒 有突然變化的地方網(wǎng)格要劃的疏，模型尺寸小、表面幾何形狀有突然變化的地方網(wǎng)格劃 分的要密，網(wǎng)格大小為模型尺寸的1 2%，篩板和填料的形狀用六面體來劃。
在ICEM CFD里劃分網(wǎng)格時，首先導入在Pro/E里建好的模型幾何圖，進行Repairing the geometry,然后是Parts Creation對模型的各部分命名，尤其是在CFX軟件里要設置 邊界條件的部分，這樣可以按不同的部分分別來定義網(wǎng)格的尺寸，如把分配盤最上面的 面命名為fenshang，最下面的面命名為fenxia，小孔部分命名為kong，很薄的小邊界面 可以定義為wall，篩板的上下兩個面分別命名為shaishang和shaixia，填料的上下兩個 面分別命名為tianshang和tianxia。接著進行Creating Bodies,;利用Material Point方法， 并把Part部分命名為LIVE。再接下來就是Reassigning Mesh Parameters,點擊MESH 按鈕，分別對面和曲線進行尺寸設置， 一般的面尺寸可設置為lmm或0.5mm,小孔和 薄壁部分可設置為O.lmm。然后依次點擊Mesh-Volume Meshing-Tetra-From geometry, 其它按照默認設置進行網(wǎng)格劃分。劃分完網(wǎng)格后進行checking和smoothing,把 smoothing iterations設置為5，網(wǎng)格質(zhì)量設置為0.2。最后對所劃分好的網(wǎng)格進行保存即 可。點擊out put ,在Select solver里選擇ANSYS CFX，然后點擊Write input,分別輸出 fenpeipan.cfk5， shaiban.cfx5， tianliao,cfx5結果。如圖1所示的色譜柱篩扳結構
c) 得到高質(zhì)量的網(wǎng)格后，以CFX的形式輸出，即fenpeipan.cfx5， shaiban.cfk5， tianliao.cfx5，然后導入ANSYS CFX10.0中對模型施加邊界條件，進行求解，模型中流
體作為等溫、不可壓縮的湍流，選用標準的^-e湍流方程模型來計算整個流場，流體 密度和粘性系數(shù)視為常數(shù)，入口設置為恒定的壓力100atm，其它與壁表面接觸的流體邊 界在x，j;，z三個方向的速度都設置為零，在篩板和填料處的流動設置為均阻力，區(qū)域流
體出口壓力為一個標準大氣壓，設置完條件后開始運算，看其是否收斂，不收斂的話，就改進模型網(wǎng)格，或改變色譜柱內(nèi)部結構和篩板、分配盤結構參數(shù)設置，直至收斂為止， 然后在CFX后處理器中對收斂的結果進行可視化分析，通過設置速度剖面圖觀察管內(nèi) 的流體流動情況，得到流體流型根據(jù)結構變化的規(guī)律，并模擬得到最優(yōu)化的柱子結構。
打開CFX后，首先設定工作目錄，然后點擊CFX-Pre，用General Model新建一個 New simulation File,文件命名為SePu。接著分別導入三部分網(wǎng)格，點擊Import Mesh， mesh format為ICEMCFD，導入在前面劃分好的網(wǎng)格fenpeipan.cfx5， shaiban.cfx5禾口 tianliao.cfx5，網(wǎng)格單位設置為mm。
三部分網(wǎng)格實體相對存在，現(xiàn)在要Creating a Union Region,點擊Regions,新建一 個region命名為SePuZhu， Dimension選3D， Region list選Assembly , Assembly2， Assembly3。點擊OK完成。
然后是Creating the Domain,點擊Physics,茅萬建一個new domain, 命名為SePu， 并進行下歹ll設置,Basic Settings-location-SePuZhu， Domain Models-pressure陽Reference Pressure-l[atm],點擊OK完成設置。
接下來是Creating the subdomain，對填料部分進行條件設置。新建一個稱作tianliao 的 subdomain ， 并進4亍下歹ll設置 General Options-Basic Settings-Iocation墨LIVE ， Sources-Momentum Source/Porous loss Model-Directional Loss Model-Streamwise Direction-Unit Vector X Component-0 ， Streamwise Direction-Unit Vector Y Component-0 ， Streamwise Direction—Unit Vector Z Component—1 。 Stream wise Loss—Option—Linear and
Quadratic Resistance Coefficient—Quadratic Coefficient-2000^^/^4 ， 點擊OK完成設^^。
接下來設置邊界條件，入口邊界條件設置如下Boundary Type-Inlet, location-fenpeipanshang. Boundary Details-Mass and Momentum-Relative Pressure-lO[a加]; 出口邊界條件設置如下Boundary Type-Outlet, location-tianliaoxia， Boundary Details-Mass and Momentum-Relative Pressure-O[atm]。
設置連接面(creating the domain interfaces),即將分配盤的下面和篩板的上面連接為 一體，篩板的下面和填料的上面連接為一體。先建入口處的domain interface,命名為 Inletside， 并進行如下設置Interface Side 1-Region List-fenpeipanxia， Interface Side 2-RegionList-shaibanshang,點擊OK完成；再建出口處的domain interface,命名為 Outletside，并進行如下設置Interface Side 1-Region List-shaibanxia， Interface Side 2-Region List-tianliaoshang，點擊OK設置完成。得到如圖1所示的色譜柱篩扳結構。
初始條件和運算控制條件可選用默認設置，然后進行運算設置。點擊Write Solver，設置完成后點擊Start Run開始運算。完成后點擊Post-Process Results進入CFX-Post模塊，開始觀察結果。首先是調(diào)整Wireframe的Edge Angle,把 角度設為0度，可看到整個的色譜柱形狀圖?？梢酝ㄟ^新建面來看到任一平面上的變化 圖，如Geometry-Definition-Method-ZX Plane,， colour-Mode-Variable-Pressure,點擊View Towards Y， clear VisiWlity后就可以從y軸方向看到ZX平面的壓力變化情況，看其它 面的情況可如上操作。如果想看到流體在柱內(nèi)的速度變化情況，可以進行如下設置 Geometry-Definition-Method-XY Plane, Z=0， Colour-Mode-Variable-Velocity,,點擊View Towards Z， clear Visibility?，F(xiàn)在可以對模擬的結果進行可視化分析，通過設置速度剖面 圖觀察管內(nèi)的流體流動情況，得到流體流型根據(jù)結構變化的規(guī)律。
經(jīng)過綜合分析后，我們對柱壁結構做了新的改進，對其進行仿真后看到，流體流過 篩板后在同截面上速度值相等，流體流動均勻，因此這就是分離效果最好的柱子結構。
通過這種數(shù)值模擬的方法，我們不但可以看到流體流動狀態(tài)，而且可以通過對柱子 內(nèi)壁結構不斷地改進，找到最優(yōu)的結構。如圖2所示色譜柱的內(nèi)壁結構能夠比較理想地 滿足流體通過篩板后速度在同截面上值相等的條件，并且改進后的柱子較短，不僅節(jié)省 填料，而且縮短了分析時間，所以說最優(yōu)的柱子內(nèi)壁結構是圖2的結構。此時也就完成 了對制備色譜柱整體結構的優(yōu)化。在數(shù)控機床上加工出實物后，組裝成如圖3所示色譜 柱系統(tǒng)，其中l(wèi)為上篩扳，2為柱體。到化學實驗室作對比實驗，從而驗證計算機模擬 的正確程度，試驗峰圖如圖4所示。
權利要求
1.一種應用譜帶流型觀測優(yōu)化設計色譜柱結構的方法，其特征在于該方法包括以下內(nèi)容a)依據(jù)色譜柱內(nèi)部結構和篩板、分配盤結構，采用三維畫圖軟件pro/e建立三維模型，即分配盤、多孔篩板和填料三部分流體模型；b)用ICEM CFD軟件對模型劃分網(wǎng)格，劃網(wǎng)格時，模型尺寸大的地方網(wǎng)格要劃的疏，而模型尺寸小的地方網(wǎng)格密，網(wǎng)格大小為模型尺寸的1～2％，篩板和填料的形狀用六面體來劃；c)得到高質(zhì)量的網(wǎng)格后，以CFX的形式輸出，即fenpeipan.cfx5，shaiban.cfx5，tianliao.cfx5，然后導入ANSYS CFX10.0中對模型施加邊界條件，進行求解，模型中流體作為等溫、不可壓縮的湍流，選用標準的k-ε湍流方程模型來計算整個流場，流體密度和粘性系數(shù)視為常數(shù)，入口設置為恒定的壓力100atm，其它與壁表面接觸的流體邊界在x，y，z三個方向的速度都設置為零，在篩板和填料處的流動設置為均阻力，區(qū)域流體出口壓力為一個標準大氣壓，設置完條件后開始運算，看其是否收斂，不收斂的話，就改進模型網(wǎng)格質(zhì)量，或改變其它的條件設置，再看其是否收斂，然后在CFX后處理器中對收斂的結果進行可視化分析，通過設置速度剖面圖觀察管內(nèi)的流體流動情況，得到流體流型根據(jù)結構變化的規(guī)律，并模擬得到最優(yōu)化的柱子結構。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用譜帶流型觀測優(yōu)化設計色譜柱結構的方法，設計制作高質(zhì)量的色譜柱。本發(fā)明包括以下內(nèi)容采用三維畫圖軟件pro/e建立三維模型；用ICEM CFD軟件對模型劃分網(wǎng)格；得到高質(zhì)量的網(wǎng)格后，以CFX的形式輸出，然后導入ANSYS CFX10.0中對模型施加邊界條件，進行求解。然后在CFX后處理器中對收斂的結果進行可視化分析，通過設置速度剖面圖觀察管內(nèi)的流體流動情況，得到流體流型根據(jù)結構變化的規(guī)律，并模擬得到最優(yōu)化的柱子結構。本發(fā)明采用數(shù)值模擬方法可以直觀的觀測柱內(nèi)流體流動情況，形象地再現(xiàn)流動場景，得到譜帶流型。從而得到優(yōu)化的色譜柱結構。利用本發(fā)明制作的色譜柱不需要進行反復加工，減少了人力物力消耗。
文檔編號G06F17/00GK101526936SQ20081001055
公開日2009年9月9日 申請日期2008年3月7日 優(yōu)先權日2008年3月7日
發(fā)明者何兆斌, 亮 候, 巖 孫, 張曉君, 徐允鶴, 徐澤寧, 麗 李, 鄭文廣 申請人:遼寧科技大學