一种超声喷雾热解过程颗粒收集率的快速预测方法与流程

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。

技术实现要素：

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：pressureoutlet

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，inletofescape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。

第五步，在fluent软件中设置与实验相同的参数，将推导好的矫正因子a的公式，代入收集率公式中，模拟计算得出的颗粒收集率与实验得到的颗粒收集率进行比较。

第六步，将矫正因子a的公式带入颗粒收集率计算公式中，得到的模拟值与实验值对比，若实验数据与模拟数据没有良好的一致性，即没有良好的拟合优度，则继续进行矫正因子a公式迭代推导，直至两者数据有良好的一致性。

第四步中，在fluent软件中进行不同质量分数的模拟计算，设置的参数中只有溶液的质量分数不同；通过颗粒收集率计算公式，反向推导得出不同质量分数下矫正因子a1的值；通过拟合该数值，可得出质量分数与矫正因子a1的方程：其中a1为该方程的系数，b1为该方程中质量分数的幂次。

第四步中，在fluent软件中进行不同超声频率的模拟计算，设置的参数中只有超声频率不同；通过颗粒收集率计算公式，反向推导得出不同超声频率下矫正因子a2的值；通过拟合该数值，可得出超声频率与矫正因子a2的方程：a2＝a2×ln(超声频率)+b2，其中a2为该方程的系数，b2为该方程常数。

第四步中，在fluent软件中进行不同颗粒注入速率的模拟计算，设置的参数中只有颗粒注入速率不同；通过颗粒收集率计算公式，反向推导得出不同颗粒注入速率下矫正因子a3的值；通过拟合该数值，可得出颗粒注入速率与矫正因子a3的方程：其中a3、c3为该方程系数，b3、d3为该方程中注入速率的幂次，e3为该方程常数。

第四步中，在fluent软件中进行不同氮气流速的模拟计算，设置的参数中只有氮气流速不同；通过颗粒收集率计算公式，反向推导得出不同氮气流速下矫正因子a4的值；通过拟合该数值，可得出氮气流速与矫正因子a4的方程：其中a4、c4、e4为该方程的系数，b4、d4、f4为该方程中气体流速的幂次，g4为该方程常数。

本发明有益效果：

提供了一种超声喷雾热解工艺下操作参数可选择的颗粒收集率快速预测方法，增大了超声喷雾热解工艺的适用范围；同时该方法简捷方便、成本较低、准确实用，对于功能薄膜材料产业化生产具有重大意义。

附图说明

图1为实验装置图

图2为装置模拟三维造型图

图3为实验值与模拟值对比图

附图标记如下：a-氮气钢瓶；b-转子流量计；c-超声雾化器；d-加热装置；e-管路；f-收集装置。

具体实施方式

下面结合应用实例附图对本发明作进一步的描述：

(1)首先配置好质量分数为10％的六水合硝酸锌水溶液70g，将其倒入超声雾化器(图1c)中，调节氮气流速(图1a-1b)，打开雾化器开关，在实验装置中通过调节转子流量计得到2-12l/min不同气速下的颗粒收集率。

(2)应用icem软件对于超声喷雾热解实验中管路(图1e)进行三维造型，模型管道分为进口段、弯管段、直管段、出口段四段。模拟管道与实际装置中的管道大小一致。

(3)采用icem软件对计算区域(图1e)进行划分，首先创建blocking，然后进行blockingassociations，再进行ogridblock，最后输入网格参数，生成局部加密过的边界层，得到完整的几何模型与网格(图2)。

(4)将网格导入fluent软件中，采用双向耦合层流dpm模型。设置边界条件：

进口设置：velocity-inlet

出口设置：pressureoutlet

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，inletofescape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。

(5)在fluent软件中进行不同质量分数的模拟计算，设置的参数中只有六水合硝酸锌溶液的质量分数不同，分别为5％、10％、15％、20％。通过颗粒收集率计算公式，反向推导得出不同质量分数下矫正因子a1的值。通过拟合该数值，可得出质量分数与矫正因子a1的方程：其中a1为该方程的系数，b1为该方程中质量分数的幂次。

(6)在fluent软件中进行不同超声频率的模拟计算，设置的参数中只有超声频率不同，分别为1mhz、1.5mhz、1.7mhz、2mhz、2.5mhz。通过颗粒收集率计算公式，反向推导得出不同超声频率下矫正因子a2的值。通过拟合该数值，可得出超声频率与矫正因子a2的方程：a2＝a2×ln(超声频率)+b2，其中a2为该方程的系数，b2为该方程常数。

(7)在fluent软件中进行不同颗粒注入速率的模拟计算，设置的参数中只有颗粒注入速率不同，分别为1kg/s、1.5kg/s、1.84kg/s、2kg/s、2.5kg/s。通过颗粒收集率计算公式，反向推导得出不同颗粒注入速率下矫正因子a3的值。通过拟合该数值，可得出颗粒注入速率与矫正因子a3的方程：其中a3、c3为该方程系数，b3、d3为该方程中注入速率的幂次，e3为该方程常数。

(8)在fluent软件中进行不同氮气流速的模拟计算，设置的参数中只有氮气流速不同，分别为2l/min、4l/min、6l/min、8l/min、10l/min、12l/min。通过颗粒收集率计算公式，反向推导得出不同氮气流速下矫正因子a4的值。通过拟合该数值，可得出氮气流速与矫正因子a4的方程：其中a4、c4、e4为该方程的系数，b4、d4、f4为该方程中气体流速的幂次，g4为该方程常数。

(9)整合a1、a2、a3、a4四个分方程式，将其不同因素对矫正因子的影响叠加迭代，即f(a)＝f(a1，a2，a3，a4)。进一步的，从偏导数进行整个全函数的倒推，得出矫正因子a的公式。

(10)在fluent软件中设置与实验相同的参数，将推导好的矫正因子a的公式，代入收集率公式中，模拟计算得出的颗粒收集率与实验得到的颗粒收集率进行比较。数值模拟计算得出的收集率结果和实验得出的平均收集率进行图线拟合，结果有良好的一致性，拟合优度为0.9733，结果如图3所示。

(11)矫正因子a的公式为a＝a×(气体流速)^b+c×(气体流速)^d+e×(气体流速)^f+g×(注入速率)^h+i×(注入速率)^j+k×ln(超声频率)+l×(质量分数)^m+n，其中a、c、e为该方程中气体流速的系数，b、d、f为该方程中气体流速的幂次，g、i为该方程中注入速率的系数，h、j为该方程中注入速率的幂次，k为该方程中超声频率的系数，l为该方程中质量分数的系数，m为该方程中质量分数的幂次，n为该方程的常数；方程中参数的数值以上述(10)得出的函数方程为准。