[发明专利]一种超声喷雾热解过程颗粒收集率的快速预测方法

说明书

本发明公开了一种超声喷雾热解过程颗粒收集率的快速预测方法。其特征在于，对实验装置进行三维造型,在ANSYS‑FLUENT中计算得到数值模拟值。采用实验和模拟相结合的研究方法，引入矫正因子A，求解出不同操作参数条件对颗粒收集率的影响。主要包括以下步骤：在实验中得到不同气速下相应的颗粒收集率；在FLUENT软件中进行不同操作参数条件的模拟，得出颗粒收集率，求解出矫正因子A；在FLUENT软件中根据实验条件进行模拟拟合得出颗粒收集率，模拟计算的颗粒收集率和实验得到的颗粒收集率进行比较。该计算所得的收集率与实验数据有良好的一致性，因此数值模拟方法可以用来做预测超声喷雾热解颗粒收集率的快速预测方法。

技术领域

本发明涉及一种计算机辅助分析功能薄膜材料制备过程的方法，具体是一种超声喷雾热解过程颗粒收集率的快速预测方法。

背景技术

随着科技的快速发展，制备功能薄膜材料的技术得到进一步提升，功能薄膜材料产业化进程开始加快。功能薄膜材料广泛应用于太阳能电池、传感器、发光二极管、激光器、生物医学器件、紫外光电器件等众多领域。超声喷雾热解是制备功能薄膜材料的一种有效方法，其优点为操作简单、成本低和产生的废物最少。对于工业化生产过程，颗粒收集效率是超声喷雾热解工艺操作可行的关键问题。基于试错实验的周期长、耗资大，随着数值模拟的方法日益成熟，有必要提出一种超声喷雾热解过程颗粒收集率的快速预测方法。

发明内容

针对现有技术中，预测方法周期长、耗资大的问题，本发明提出一种超声喷雾热解过程颗粒收集率的快速预测方法，同时，相应的实验验证整个预测方法的准确性。该方法能够实现对颗粒收集率进行快速、准确的数值预测，为功能薄膜材料产业化进程提供技术支持。

本发明所述的预测方法采用实验与模拟相结合的研究方法。预测方法主要分为两部分：第一部分为实验部分，在实验装置中通过调节转子流量计控制气速得到不同气速下的颗粒收集率；第二部分为数值模拟部分，在FLUENT软件中通过改变不同操作参数获得不同操作条件下的颗粒收集率。

第一步，在超声喷雾热解实验装置中通过调节转子流量计得到不同气速下的颗粒收集率。

第二步，在ICEM软件中进行实验装置的三维造型，同时进行网格划分，并对其边界层处进行局部加密，直至模拟计算云图在边界层处呈现光滑无槽口状。

第三步，将带网格的物理模型导入FLUENT软件中进行模拟求解，采用双向耦合层流DPM模型结合相应边界和初始条件进行求解。设置边界条件：

进口设置：velocity-inlet

出口设置：pressure outlet

离散相边界类型设置：进口和出口设置为颗粒escape，壁面设置为颗粒trap

压力和速度耦合方式：SIMPLE

颗粒收集率计算公式为其中total为总的颗粒质量，trap为壁面吸附的颗粒质量，A为矫正因子，inlet of escape为反向从进口逃逸的颗粒数量。在计算过程中监测出口速度，当波动小于3％时，视计算结果达到稳定，求解收敛。

第四步，在FLUENT软件中进行气体流速、超声频率、质量分数、颗粒注入速率四个不同操作条件下的模拟计算，通过颗粒收集率计算公式，反向推导矫正因子A，得出不同操作条件对矫正因子A的影响。将矫正因子A拆分为A₁、A₂、A₃、A₄四部分，其中A₁为质量分数对A的影响；A₂为超声频率对A的影响；A₃为颗粒注入速率对A的影响；A₄为氮气流速对A的影响。将其不同因素的影响进行整合，即f(A)＝f(A₁,A₂,A₃,A₄)，从偏导数进行整个全函数的倒推，得出矫正因子A的公式。