气相色谱仪进样器内部流场分析及性能优化

摘要

进样器作为色谱仪的重要组成部分，是载气和样品传输以及样品汽化的主要场所，为样品进入色谱柱实现分离提供了前提条件。因此，其内部流体流动特性对色谱分析有着不可忽视的影响，直接影响色谱分析的准确性，进样系统的设计在色谱仪研发中占有重要的地位，是色谱仪研发的关键技术之一。
　　 从结构上看，进样器存在多种形式，而且对进样器的进样量、载气流速等相关条件的确定大都停留在依据试验数据，通过大量的试验来最终确定一组能取得最精确最稳定分析结果的各个参数值。随着分离技术的不断发展，对分离效果的要求也越来越高，这种凭借经验的设计方式的局限性也越来越明显。这就要求我们对进样器内的流场进行更深入的分析研究。
　　 本文利用CFD计算流体力学软件，对进样器进行了氮气-水的混合两相的流场模拟，能准确地反映进样器内部流场问题的本质，并且耗时少，便于优化，同时易于控制，有很好的重复性，可以进行重复多次的模拟。这对指导进样器设计和缩短产品设计制造周期具有重要的意义。
　　 本文选用一种进样器结构为数值计算的物理模型。根据进样器的结构参数及经验边界条件，在研究进样器内流体流动特性的基础上对进样器进行结构简化，得到进样器流场分析的简化物理模型，并使用四边形结构网格对简化后的物理模型进行网格划分。在数学模拟时选择Fluent软件中的离散相模型DPM对进样器内气液两相流动特性进行数值模拟，得到了进样器内部的流场分布，重点分析样品在进样器内的运动轨迹及流动速度等特性曲线。
　　 在初始条件模型模拟的基础上，研究进样器的结构参数和边界操作参数对气液两相混合流流场分布的影响，得出适合色谱分析的结构参数和边界条件等参数值，为进样器相关参数的确定提供了设计依据。并将模拟结果与传统经验中得出的结果进行比对，以验证CFD软件分析技术应用于进样器的研究和设计中具有的可行性。最后根据各个参数的模拟结果，选择了各个参数值满足分析要求的最佳临界参数值，对该组最佳临界边界条件参数值进行模拟，并与初始模拟结果比较，验证CFD模拟分析的准确性和可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源及课题研究的目的意义

1．2 气相色谱仪工作原理

1．3 CFD技术

1．3．1 计算流体力学的形成

1．3．2 计算流体动力学的特点

1．3．3 CFD软件的分类及Fluent技术的发展与应用

1．4 CFD技术在进样器研发中的应用

1．5 课题的主要研究内容

第2章 进样器的结构介绍及物理模型的建立

2．1 进样器的分类

2．1．1 分流进样

2．1．2 不分流进样

2．1．3 分流／不分流进样

2．2 色谱柱的分类

2．2．1 几种常用的色谱柱

2．2．2 色谱柱的选择

2．3 衬管的选择

2．4 物理模型的建立

2．5 本章小结

第3章 进样器内部流场模型的分析与模拟

3．1 初始条件与边界条件

3．1．1 几种常见的边界条件

3．1．2 进样器边界条件的选择和确定

3．2 基本控制方程

3．3 求解模型的选择

3．4 网格划分

3．5 流场模拟及结果分析

3．5．1 Fluent模型的收敛条件及后处理

3．5．2 进样器内部流场模拟结果及分析

3．6 本章小结

第4章 进样器的结构及性能优化

4．1 入口参数等对进样器内部流场的影响

4．1．1 进样量的影响

4．1．2 载气氮气(N2)的流量的影响

4．1．3 载气氮气(N2)的压力的影响

4．1．4 汽化温度的影响

4．2 衬管结构对进样器内部流场的影响

4．2．1 色谱柱直径的影响

4．2．2 衬管直径的影响

4．3 进样器内部流场的最佳流场优化

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢