Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса исследования рабочих процессов в пневмовакуумных установках сепарации ДНК 18
1.1. Этап пробоподготовки при молекулярно-биологических исследованиях методом полимеразной цепной реакции 18
1.2. Обзор методов выделения ДНК .20
1.3. Обзор оборудования для пробоподготовки
1.3.1. Автоматизированные установки пробоподготовки .28
1.3.2. Неавтоматизированные установки пробоподготовки
1.4. Основные параметры установок вакуумной сепарации .36
1.5. Обзор методов расчета рабочих процессов, протекающих в установках вакуумной сепарации
1.5.1. Методы расчета течения рабочей среды через ячейки установок вакуумной сепарации 42
1.5.2. Методы расчета связывания рабочей среды в ячейках установок вакуумной сепарации 47
1.6. Факторы, влияющие на работу установок вакуумной сепарации ДНК 53
1.6.1. Фактор неравномерности рабочих процессов 53
1.6.2. Фактор поверхностных явлений
1.7. Методы численного исследования рабочих процессов 56
1.8. Постановка цели и задач исследования .58
Глава 2. Разработка метода расчета и математическое моделирование рабочих процессов в УВС .60
2.1. Объект исследования .60 Стр.
2.2. Математическая модель течения рабочей среды в рабочей области установок вакуумной сепарации ДНК 62
2.2.1. Расчетная область 63
2.2.2. Допущения математической модели .64
2.2.3. Расчетные зависимости распределенных термодинамических параметров состояния рабочей среды 65
2.2.4. Начальные и граничные условия .67
2.2.5. Метод решения 68
2.3. Метод расчета рабочих процессов в УВС 69
Глава 3. Экспериментальное исследование рабочих процессов в установках вакуумной сепарации и определение замыкающих коэффициентов математической модели 71
3.1. Определение коэффициента пористости пористого тела рабочей ячейки планшета очистки 71
3.2. Определение краевого угла смачивания материала планшета очистки .75
3.3. Определение гидродинамических характеристик пористых тел планшета очистки
3.3.1. Описание экспериментального стенда 80
3.3.2. Методика проведения эксперимента .84
3.3.3. Исследование характеристик течения рабочей среды .85
3.3.4. Определение начальных коэффициентов проницаемости пористых тел рабочих ячеек установки вакуумной сепарации
3.4. Определение перепада давлений перехода режимов течения в нижней части ячейки между капельным и струйным 107
3.5. Определение диаметра капли, образуемой в нижней части ячейки 111
3.6. Проверка обоснованности допущений математической модели с учетом полученных экспериментальных данных 112
3.7. Выводы из главы 3 .113 Стр.
Глава 4. Численное исследование течения рабочей среды в УВС
4.1. Оценка адекватности математической модели рабочих процессов в УВС 114
4.1.1. Численное исследование стационарного течения рабочей среды через ячейку планшета очистки под действием перепада давления с применением частной математической модели 114
4.1.2. Сопоставление результатов численного и экспериментального исследований течения рабочей среды через ячейку планшета очистки УВС 119
4.2. Численное исследование нестационарного течения рабочей среды через ячейки планшета очистки с применением общей математической модели 122
4.2.1. Оценка влияния шага по времени при решении нестационарной задачи на точность определения параметров потока .122
4.2.2. Определение перепада давлений, при котором происходит переход режимов течения в нижней части рабочих ячеек между капельным и струйным .123
4.2.3. Численное исследование течения рабочей среды в локальной области четырех ячеек и определение диаметра капли 125
4.2.4. Применение разработанной математической модели для расчета рабочих процессов в пневмовакуумной установке сепарации ДНК 129
Глава 5. Разработка пневмовакуумной установки сепарации растворов ДНК 133
5.1. Установка вакуумной сепарации и разработка патента на полезную модель нового медицинского оборудования 133
Основные результаты и выводы 137
Список литературы
- Обзор оборудования для пробоподготовки
- Математическая модель течения рабочей среды в рабочей области установок вакуумной сепарации ДНК
- Определение краевого угла смачивания материала планшета очистки
- Определение перепада давлений, при котором происходит переход режимов течения в нижней части рабочих ячеек между капельным и струйным
Введение к работе
Актуальность исследования
На сегодняшний день в технике широко используются пневмовакуумные установки сепарации, в том числе в сфере технологий живых систем. В этой сфере, в частности в области молекулярной диагностики, требуется получение информации, содержащейся в дезоксирибонуклеиновых кислотах (ДНК), что необходимо для выявления видовой принадлежности, идентификации личности, генетических, вирусных заболеваний и др. Вирусные заболевания приводят к отклонениям в структуре ДНК и могут быть обнаружены с помощью молеку-лярно-генетических исследований. Наиболее распространенным методом проведения молекулярно-генетических исследований является метод полимеразной цепной реакции (ПЦР).
Метод ПЦР имеет высокие показатели эффективности, чувствительность и специфичность, однако его реализация невозможна без предварительной очистки биопробы – раствора, содержащего исследуемую ДНК – от примесей других органических и неорганических структур. Очистка и выделение ДНК из первичного исследуемого раствора проводятся на одном из важнейших этапов исследования – этапе пробоподготовки. Выделение ДНК на этапе пробоподго-товки осуществляется различными методами. Одним из наиболее эффективных является сорбционный метод – метод вакуумной сепарации. В данном методе с помощью установок вакуумной сепарации (УВС) реализуется течение пробы через рабочие ячейки, содержащие порошок диоксида кремния, под действием перепада давления между атмосферным давлением и давлением ниже атмосферного, созданным внутри рабочей полости. В существующих УВС имеется ряд недостатков, связанных с неравномерностью протекания рабочих процессов, что приводит к нестабильности качества очистки проб. Для повышения эффективности выделения ДНК необходима разработка нового оборудования.
Разработка пневмовакуумной установки сепарации ДНК – эффективной установки вакуумной сепарации ДНК, предназначенной для подготовки проб к молекулярно-биологическим исследованиям, связана с высокими финансовыми и временными затратами. Проектирование нового оборудования для пробопод-готовки требует проведения большого числа экспериментальных исследований. Проведение экспериментальных исследований не позволяет в полной мере получить информацию о рабочих характеристиках, необходимых при разработке новых установок вакуумной сепарации. Обзор литературы показал, что методы расчета рабочих процессов в УВС ДНК на сегодняшний день отсутствуют. Таким образом, разработка и обоснование метода расчета рабочих процессов в УВС, проведение расчетно-теоретических исследований и создание на их основе пневмовакуумной установки сепарации ДНК являются актуальными задачами научного исследования.
Объектом исследования является установка вакуумной сепарации ДНК.
Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие в рабочей полости УВС, и определяющие их технические и эксплуатационные характеристики.
Цель работы:
Разработка метода расчета рабочих процессов, протекающих в УВС, и создание пневмовакуумной установки сепарации ДНК
Задачи исследования:
-
Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессов в установках вакуумной сепарации ДНК.
-
Создание методики проведения эксперимента, экспериментального стенда и проведение исследований рабочих процессов в установках вакуумной сепарации.
-
Проведение численных исследований рабочих процессов в УВС и проверка адекватности математической модели.
-
Проведение расчетно-теоретических исследований рабочих процессов в УВС на основе разработанной математической модели.
-
Разработка пневмовакуумной установки сепарации ДНК.
Научная новизна
-
Впервые применительно к установкам вакуумной сепарации разработан метод расчета рабочих процессов, включающий математическую модель двухфазного течения рабочей среды через пористое тело, с учетом распределенных параметров в рабочей полости блока вакуумной сепарации. Разработанный метод расчета позволил провести детальный анализ рабочих процессов в УВС при различных режимах работы, что невозможно реализовать с использованием экспериментальных методов исследования.
-
Впервые получены расходные характеристики движения рабочей среды при течении ее через ячейки типового 96-луночного планшета очистки и определен статистический разброс гидравлических сопротивлений (коэффициентов проницаемости) пористых тел внутри ячеек.
-
Впервые определены гидродинамические параметры взаимодействия рабочей среды с элементами типового 96-луночного планшета очистки: коэффициенты проницаемости материала пористого тела ячеек, коэффициент пористости материала пористого тела и краевой угол смачивания материала планшета очистки.
-
Впервые проведено расчетно-теоретическое исследование рабочих процессов в блоке вакуумной сепарации, позволившее получить картины распределения основных определяющих параметров течения, оценить неравномерность поля давлений в рабочей полости установки и перепад давления, при котором происходит смена режима течения в области каплеобразования под рабочей ячейкой между капельным и струйным.
-
Предложена новая конструкция пневмовакуумной установки сепарации растворов ДНК, параметры которой получены на основе численного исследования рабочих процессов, позволившего повысить эффективность ее работы.
Практическая ценность
-
Разработан метод расчета рабочих процессов в установках вакуумной сепарации ДНК, позволяющий сделать разработку новых установок более эффективной, снизить затраты времени и средств на разработку благодаря проведению численного исследования на начальных этапах проектирования. Разработанный метод расчета позволяет проектировать новые более эффективные установки вакуумной сепарации и устройства для повышения стабильности качества очистки проб.
-
Разработана новая пневмовакуумная установка сепарации ДНК для мо-лекулярно-биологических лабораторных исследований.
-
Результаты работы использованы при выполнении НИР «Создание научной базы разработки вакуумного и пневмоэлектромеханического оборудования с применением методов быстрого прототипирования» (Шифр ГБ3301сп) и НИР «Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов в устройствах систем пробопод-готовки для анализа ДНК методом ПЦР» (Шифр ГЭ3302сп) в МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва.
-
Работа проводилась при поддержке центра развития инновационной инфраструктуры и молодежного предпринимательства МГТУ им. Н.Э. Баумана. Благодаря научным результатам работы получены грант Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, стипендия Правительства РФ, стипендия Президента РФ. Работа получила развитие с помощью программы “Формула Биотех 2016”, организованной в Научном Парке МГУ им. М.В. Ломоносова.
-
Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ЗАО «Синтол», г. Москва в процессе проведения научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы по разработке роботизированного комплекса для молекулярно-генетических исследований и внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, что подтверждено актами о внедрении.
Достоверность полученных данных обеспечена с помощью сравнения результатов вычислительных экспериментов на основе разработанного метода расчета и математической модели с данными, опубликованными в открытых источниках литературы и данными, полученными в практике молекулярно-биологических лабораторных исследований и испытаний устройств пробопод-готовки.
Положения, выносимые на защиту
Метод расчета рабочих процессов в установках вакуумной сепарации ДНК. Результаты экспериментальных и численных исследований рабочих процессов в установках вакуумной сепарации ДНК.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:
Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.);
Четвертая всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов “Вакуумная, компрессорная техника и пневмоагрегаты”. МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2012 г.);
Вторая научно-техническая конференция аспирантов, магистрантов, студентов, творческой молодежи профильных предприятий и организаций, посвященная 70-летию ОмГТУ. ОмГТУ (Омск, 2012 г.);
Пятнадцатая научно-техническая конференция «Медико-технические технологии на страже здоровья «МЕДТЕХ-2013» (Португалия, 2013 г.);
Международный научный форум молодых ученых «Наука будущего. Наука молодых» (Севастополь, 2015 г.).
Результаты работы были представлены на выставках:
-
Молодежная научно-инженерная выставка «Политехника». Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015 гг.;
-
XIV Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи. Москва, ВВЦ, 2014;
-
IX Московский Фестиваль науки. Москва, Экспоцентр на Красной Пресне, 2014;
-
III Московский международный форум инновационного развития «Открытые инновации». Москва, ВВЦ, 2014.
Личный вклад автора заключается в разработке метода расчета рабочих процессов в УВС, разработке экспериментального стенда и методики проведения эксперимента, проведении расчетно-теоретических и экспериментальных исследований и разработке пневмовакуумной установки сепарации ДНК.
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 15 научных работ, из них 4 работы в журналах, включенных в Перечень ВАК РФ, общим объемом 7,1 п. л.
Структура и объем диссертации
Обзор оборудования для пробоподготовки
Выделение и очистка НК из комплексных биологических смесей является этапом, определяющим достоверность последующего анализа генов и их образцов экспрессии [4]. Применяемые методы очистки можно описать с помощью нескольких принципов. Из-за сильно различающихся по составу проб, а также специфических требований по качеству выделяемого материала требуется более широкая классификация методов. В зависимости от применяемого метода имеются значительные различия в экономических затратах на оборудование и расходный материал, которые при обзоре методов также следует учитывать.
Наряду с уже существующими методами, которые реализованы в высокопроизводительном оборудовании, прилагаются значительные усилия, чтобы упростить расщепление, очистку, ферментативные реакции биопроб, и объединить эти процессы в небольшом устройстве [5]. Для осуществления отдельных этапов подготовки проб имеются инженерные решения. За рубежом проводится разработка первых интегрированных систем, позволяющих провести выделение пробы и молекулярно-биологический анализ в едином устройстве. Далее рассматриваются существующие методы очистки ДНК, которые нашли применение в автоматизированных и ручных процессах пробоподготовки.
Первичным этапом исследования ДНК является отбор пробы [6]. Взятые образцы необходимо сохранить для дальнейшего анализа без потери исходного биологического материала. Поэтому образцы охлаждают, замораживают в зависимости от типа пробы. После доставки образца в лабораторию проводится этап лизиса (разрушения) входящих в его состав клеток, а также их ядер. Лизис проводится несколькими различными способами: механическое разрушение (измельчение пестиком, ультразвук, гипотонический лизис), химическое разрушение (лизис с помощью детергентов, хаотропных агентов), ферментативное расщепление белков. Наиболее распространенный метод использует хаотропные агенты – вещества, нарушающие трехмерную структуру НК и способствующие их денатурации. Среди хаотропных агентов можно выделить: мочевину, тиомочевину, гуанидинхлорид, гуанидинтиоционат, перхлорат лития. После лизиса проводится удаление клеточной массы с помощью фильтрации или центрифугирования. Далее приступают к основному этапу пробоподготовки – очистке раствора, удалению инородных белков, ингибирующих реакцию ПЦР. Преаналитический этап исследования нуклеиновых кислот – пробоподготовка – подробно описан в [7]. Существует несколько методов выделения высокомолекулярных структур [4-16]: – органическая экстракция [4,8,13,15]; – спиртовое осаждение [4,8,12,13,15]; – выделение с помощью гель-фильтрации [5,12,13,14,16]; – ионообменная хроматография [5,12,13,14,15,16]; – выделение на бумажных фильтрах [12,15,16]; – сорбционная (твердофазная) экстракция [4,8,9,10,11,12,14]; – экспресс-экстракция на основе температурного лизиса [4,8,12].
Органическая экстракция проводится с применением фенола или фенола/хлороформа и изоамилового спирта, которые растворяют и осаждают белки-примеси. Выделение с помощью фенола и фенольных смесей относят к классическим методам депротеинизации водных растворов НК. При этом в интерфазе (осадке) накапливаются денатурированные белки. С помощью применения небуферизированных фенолов остаточные ДНК могут быть переведены в органическую фазу и таким образом при очистке отделены от РНК. Нуклеиновые кислоты, находящиеся в водной фазе могут быть подготовлены затем с помощью бутанола или осадка этанола. Нестабильный размер и позиция интерфазы при пробоподготовке, а также возможный фазовый переход при определенных условиях расщепления до сих пор препятствуют надежной автоматизированной фенол-хлороформной экстракции. Преимущества фенол-хлороформной органической экстракции: получение ДНК хорошего качества и высокой концентрации; подходит для разных объектов; хорошо работает со старым, разложившимся материалом, костями; выделенная ДНК очень стабильна и хорошо хранится в замороженном состоянии. Недостатки – высокая токсичность; занимает много времени; не всегда удаляет ингибиторы; возможна контаминация (множество смен наконечников и пробирок); трудно автоматизировать.
Математическая модель течения рабочей среды в рабочей области установок вакуумной сепарации ДНК
Математическая модель необходима для выполнения различных задач, поэтому как было отмечено ранее в качестве расчетных областей выбираются различные области, входящие в расчетную область объекта исследования. Эти расчетные области отличаются лишь расположением поверхности выхода рабочей среды, размером поверхности входа и количеством подобластей верхней, нижней частей ячеек и пористых тел в них. В качестве наиболее общей определена расчетная область, содержащая одну рабочую ячейку с пористым телом, дополненную сегментом области блока вакуумной сепарации. На Рисунке 2.4. показано сечение расчетной области математической модели вдоль оси симметрии рабочей ячейки. В математическую модель входят два типа расчетных областей: фазовая и область пористого тела. Каждому типу расчетной области соответствуют разные зависимости, описывающие движение рабочей среды в них. Область ячейки над пористым телом 2, под пористым телом 4 и область блока сепарации 5 являются фазовыми областями. Область 3 является областью пористого тела. Области источника рабочей среды 1 и область откачки 6 не входят в расчетную область, а необходимы лишь для определения граничных и начальных условий.
Размеры пористых тел в существующих планшетах очистки могут быть различными. На рисунке 2.4 определены параметры пористой области: H – высота пористого тела, D – диаметр большего основания пористого тела, d – диаметр меньшего основания пористого тела. Показан пример начального условия распределения фаз жидкости и газа. Часть области 2 заполнена фазой жидкости. 1 – область источника рабочей среды; 2 – первичная фазовая область течения рабочей среды; 3 – область пористого тела; 4, 5– вторичные фазовые области течения рабочей среды; 6 – область откачки; F12, F23, F34, F45, F56, F2Т, F3Т, F4Т, F5Т – границы между соответствующими областями или областями и окружающей средой
С целью описания нестационарного двухфазного течения рабочей среды выбираются основные расчетные зависимости математической модели. Для фазовой области в качестве наиболее производительного и робастного метода расчета выбран метод Volume of fluid (VOF).
Уравнения движения рабочей среды для фазовой области: 1. Уравнения движения рабочей среды Навье-Стокса с учетом несжимаемости фаз [49]: ——— + V (ріїії)і = -Vpt + V т,- + ptg, (2.1) ot где / - индекс фазы, тг = /іг (Vw + Vw ) - тензор вязких напряжений, pt динамическая вязкость фазы, pt- плотность фазы, pt - давление фазы, g-вектор ускорения свободного падения. (2.2) і і 2. Уравнение неразрывности потока рабочей среды: V-w. =0. (2.3) 3. Уравнения VOF-модели [47] г — jІ — — - VOF-функция, относительный объем занятый фазой. V Vj = \x(x,t)dV - объем расчетной ячейки, занятый фазой, V - объем ячейки, V %(x,t) - функция, описывающая поверхность раздела фаз. Уравнения движения рабочей среды для области пористого тела: 1. Уравнение Дарси, описывающее движение двухфазной сплошной среды в пористом теле в зависимости от перепада давления [29]: т = -k ( l) (grad pt-Pig), (2.4) где щ - скорость z-ой фазы, pt - давление z-ой фазы, St - насыщенность i-ой фазы, к - абсолютная проницаемость, k Sj)- относительные фазовые проницаемости, pt- плотность і-ой фазы, g- вектор ускорения свободного падения.
Относительные фазовые проницаемости, типичные для жидкости к] и газа к2 имеют характер изменения, показанный на Рисунке 2.5. Данная зависимость приведена в [21] и принимается за основу в математической модели.
Относительные фазовые проницаемости: k1 – относительная фазовая проницаемость жидкости, k2 – относительная фазовая проницаемость газа, S1 – насыщенность жидкости (2.7) (2.8) где Si, S2 - насыщенности фаз жидкости и газа, pi - давление более смачивающей фазы (жидкости), р2 - давление менее смачивающей фазы (газа), pc(S1)- капиллярное давление, J (Si) - функция Леверетта, - коэффициент поверхностного натяжения; в - краевой угол смачивания; т - пористость. Функция Леверетта является однозначной функцией насыщенности фазы жидкости и не зависит от скорости фильтрации и вязкости рабочей среды. Значение функции Леверетта определяется из зависимости, приведенной в [27]. Вид этой функции представлен на Рисунке 2.6.
Полученная система дифференциальных уравнений, дополненная начальными и граничными условиями, решается с помощью численного метода контрольного объема. Производится дискретизация дифференциальных уравнений в частных производных с помощью составления дискретных аналогов. Расчетная область разбивается на множество контрольных объемов, для каждого из которых составляется дискретный аналог. В результате дискретизации получается система алгебраических уравнений, которые могут быть решены с применением вычислительной техники. Проведение дискретизации и решение полученных уравнений осуществлялось с помощью сертифицированного программного комплекса Star CCM+. Этот комплекс ориентирован на решение задач гидро- и газодинамики, позволяет получать быструю сходимость результатов расчета с минимальной расчетной погрешностью.
Определение краевого угла смачивания материала планшета очистки
Математическая модель рабочих процессов в установках вакуумной сепарации содержит в себе наиболее значимый для описания течения рабочей среды параметр пористого тела, называемый абсолютной проницаемостью (коэффициентом проницаемости) k. Эта величина характеризует гидравлическое сопротивление, создаваемое пористым телом при перемещении через него под действием перепада давлений рабочей среды. Коэффициент проницаемости является характеристикой материала пористого тела и не зависит от природы и свойств проходящей через него рабочей среды. Проницаемость различных материалов, особенно горных пород, исследовалась учеными, и данные о коэффициентах проницаемости различных материалов приведены в источниках [22-30]. Материал, используемый для выделения ДНК в установках вакуумной сепарации, ранее не исследовался. Поэтому для замыкания уравнений математической модели необходимо провести экспериментальное исследование и определение коэффициента проницаемости k материала пористого тела.
В целях проведения экспериментального исследования рабочих процессов в УВС возникла необходимость в создании экспериментального стенда. Данный стенд спроектирован, изготовлен с применением аддитивных технологий и собран [107,110,113,114]. Схема экспериментального стенда изображена на Рисунке 3.7.
Основным элементом стенда является блок вакуумной сепарации (Рисунок 3.8). На данном рисунке представлена блочная 3D-сборка основных и вспомогательных элементов блока вакуумной сепарации. Основными элементами блока являются: 96-луночный планшет очистки фирмы “Orochem” 1, плоское уплотнение 2, верхняя часть блока 4, кольцевое уплотнение 6, нижняя часть блока 7 и подсоединительные штуцеры 8. Вспомогательными элементами являются планшеты-сборники с ячейками различного объема 3 и 5. Вспомогательные элементы не используются в эксперименте, а необходимы лишь для проведения финальной стадии выделения ДНК. Элементы 4 и 7 блока сепарации были изготовлены с применением аддитивных технологий с помощью 3D-печати [107].
3D-cборка блока вакуумной сепарации, б – фотография прототипа блока вакуумной сепарации Проведение экспериментального исследования связано с изменением давления внутри блока вакуумной сепарации, т.к. необходимо создавать перепад давления на ячейках планшета очистки. Реализация метода вакуумной сепарации возможна лишь благодаря созданию вакуума в полости блока вакуумной сепарации. Для этой цели был спроектирован и изготовлен мембранный вакуумный насос. На Рисунке 3.9. изображена 3D-модель вакуумного насоса и изготовленный мембранный вакуумный насос.
Экспериментальное исследование необходимо проводить с применением широкого диапазона давлений внутри блока сепарации с возможностью регулировки значений давления. Поэтому в экспериментальный стенд были введены регулирующий дроссель и колба-сборник. Дроссель позволяет регулировать поток газа, откачиваемый насосом. Колба-сборник предоставляет возможность плавного изменения давления, а также служит для сбора жидкости из исследуемых ячеек, что позволяет защитить мембранный насос от попадания в него жидкости. В целях предотвращения обратного потока газа в блок сепарации через выключенный насос в стенд вводится обратный клапан.
Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления ячеек планшета очистки требует измерения расхода рабочей среды. Для этого в экспериментальный стенд введено устройство измерения расхода (УИР), которое представляет собой полый цилиндр с градуированной шкалой измерения объема жидкости. В качестве устройств измерения расхода использовались цилиндры шприцов одноразовых по ГОСТ 24861-91 объемом 2 мл и 5 мл. УИР герметично соединяется с исследуемой ячейкой планшета очистки, располагаясь над ней. Индикация давления в полости блока вакуумной сепарации осуществляется вакуумметром AV-01.
Определение перепада давлений, при котором происходит переход режимов течения в нижней части рабочих ячеек между капельным и струйным
Представленная частная модель описывает стационарное течение жидкости или газа через ячейку планшета очистки, представляющую собой коническую расчетную область, под действием перепада давления между верхним и нижним ее основаниями. Данная модель позволяет определять расход рабочей среды через ячейку с пористым телом при заданном перепаде давления и коэффициенте проницаемости пористого тела при минимальных вычислительных мощностях и затратах времени на расчет. Решение системы уравнений частной модели, дополненных начальными и граничными условиями, проводится с помощью метода контрольных объемов. Расчетная область разбивается на множество контрольных объемов, и определяется расчетная “сетка” модели (Рисунок 4.1 б). В целях оптимизации вычислительных ресурсов проводится оценка влияния размера и количества контрольных объемов на точность получаемых с помощью частной модели расчетных данных.
Оценка влияния размерности расчетной сетки частной математической модели на точность определения параметров потока.
Разбиение рабочей области модели на контрольные объемы принято проводить с помощью различных сеточных моделей. Существует несколько сеточных моделей, в которых используются такие контрольные объемы как призма, тетраэдр, гексаэдр и др. Наиболее распространенным и эффективным сеточным методом является метод гексагональной структурированной пространственной сетки. В связи с этим пространственная дискретизация расчетной области модели проведена с помощью разбиения ее на гексаэдрические элементы.
Проверка влияния размерности сетки на результаты расчета выполнялась с помощью сравнения результатов расчета и “невязок”, определяющих точность сходимости расчетных данных, при одинаковом количестве проведенных итераций в трех вариантах разбиения: сетки с крупными элементами, средними элементами и мелкими элементами. Количество элементов сетки с крупными элементами составило 11250 (Рисунок 4.2 а). Количество элементов сетки со средними элементами составило 32250 (Рисунок 4.2 б). Количество элементов сетки с мелкими элементами составило 326600 (Рисунок 4.2 в).
Сравнение результатов расчета расхода рабочей среды через ячейку после проведения 500 итераций показал, что различие расчетных данных (расхода рабочей среды), полученных с использованием сетки с крупными элементами, по сравнению с результатами расчета с использованием сетки с мелкими элементами составил 5%. Различие результатов расчета при использовании сетки со средними элементами с результатами расчета при использовании сетки с мелкими элементами составил 0,25%. При этом сходимость расчета с сеткой со средними элементами достигнута на низком уровне “невязок”, который составил 10 . Благодаря анализу полученных данных сделан вывод о том, что наиболее оптимально с точки зрения вычислительных затрат на расчет при оптимальной точности расчета следует применять сетку со средними элементами (32250 расчетных ячеек). Результаты численного исследования рабочих процессов с применением частной модели Численное решение модели проводилось при задании различных давлений в нижней части ячейки рвак, а также коэффициента проницаемости пористого тела к, соответствующего ячейкам с низким, средним и высоким расходами (кmin = 2,43-10"12 м2,kave =5,33-10"12 м2 ,кmax =7,95-10"12 м2). В результате решения систем уравнений математической модели получены картины распределения термодинамических параметров внутри рабочей области ячейки. Атмосферное давление при расчете задавалось равным Атм=101,3 кПа, т.е. соответствующим нормальному атмосферному давлению. При задании граничных условий особое внимание уделялось перепаду давлений Ар = р - р , т.к. именно эта величина играет важную роль в экспериментальном исследовании, а, следовательно, является параметром сравнения расчетных и экспериментальных данных.
В качестве примера на Рисунке 4.1 в. представлено распределение скоростей в осевом разрезе ячейки при расчете течения с р=20 кПа, к = кmax = 7,95-10"12 м2. Таким образом, проведена серия расчетов, позволившая провести сопоставление расчетных и экспериментальных данных.
Проведено сопоставление расходных характеристик движения рабочей среды в ячейках УВС, полученных расчетным и экспериментальным методом. Расчетные точки аппроксимированы прямой с помощью метода наименьших квадратов. На Рисунке 4.3. представлены расчетные и экспериментальные данные для ячеек с наименьшим расходом (ячейка А3), наибольшим расходом
120 (ячейка Е4) и средним расходом (ячейка С3). Расчетные точки на графике не показаны, изображены только аппроксимирующие их расчетные прямые. Анализ сравнения результатов, полученных расчетным и экспериментальным методами, позволяет сделать вывод, что математическая модель описывает физический процесс течения рабочей среды через ячейку планшета очистки с высокой точностью (максимальное отклонение данных составляет не более 15%).
Отклонение расчетных и экспериментальных данных расхода в широком диапазоне расходов 0…0,36 мл/с для ячеек со средним и высоким расходом составило не более 0,01 мл/с. Наибольшая точность модели достигается при описании ячеек со средним расходом (на Рисунке 4.3 расчетная и экспериментальная прямые сливаются). Абсолютная погрешность в этом случае составляет 0,001 мл/с. Анализ сравнения экспериментальных и расчетных данных позволяет сделать вывод об адекватности математической модели в диапазоне перепадов давления 0…35 кПа, диапазоне расходов рабочей среды 0…0,36 мл/с, с абсолютной погрешностью сопоставления по расходу не более 0,01 мл/с.
Рабочий диапазон расходов в ячейках установок вакуумной сепарации, при которых проводится эффективное выделение ДНК, составляет 0,05…0,15 мл/с. Нижний предел этого диапазона учитывает минимальную скорость проведения этапа пробоподготовки. Верхний предел обоснован максимальной эффективностью связывания малого количества ДНК. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в рабочем диапазоне расходов приведено на Рисунке 4.4. В рабочем диапазоне расходов максимальная абсолютная погрешность определения расхода рабочей среды расчетным методом составила 0,008 мл/с, максимальная относительная погрешность 13,8%.