Создание метода расчета и разработка пневматических исполнительных устройств нагрева и охлаждения

• Автор: Крутиков, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 05.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 128 с. : ил.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования

В настоящее время во многих областях практической деятельности человека широко используются устройства, предназначенные для автоматического изменения температуры по определенному закону. В качестве объекта регулирования может выступать любой объект физической, химической или биологической природы. Такие устройства принято называть устройствами программного регулирования температуры, работающими в автоматическом режиме. Обычно они состоят из исполнительного устройства нагрева и охлаждения и системы управления.
В данной работе рассматривается прецизионное исполнительное устройство нагрева и охлаждения, предназначенное для циклического изменения температуры микрообъемов реакционной смеси. Подобные устройства входят в состав оборудования для проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР) - анализаторов нуклеиновых кислот. Метод ПЦР, применяемый при анализе ДНК, позволяет решать такие задачи, как диагностика социально значимых заболеваний (гепатиты В и С, туберкулез), анализ онкологических и генетических заболеваний, генотипирование (в криминалистике — для идентификации личности, в сельском хозяйстве — для селекции ценных пород животных и сортов растений) и многие другие.
В настоящее время большинство промышленно развитых стран ведут интенсивные работы по созданию оборудования для проведения ПЦР. Новые технологии предъявляют к анализаторам нуклеиновых кислот ряд требований по улучшению динамических характеристик, а именно - по увеличению скорости изменения температуры реакционной смеси во время процессов нагрева и охлаждения при одновременном обеспечении заданной точности поддержания температуры и равномерности температурного поля реакционной смеси на этапах стабилизации.
В последнее время возникла необходимость создания малогабаритных высокоскоростных анализаторов нуклеиновых кислот, предназначенных для проведения количественной полимеразной цепной реакции в реальном масштабе времени в полевых условиях. Данные устройства должны отличаться простотой конструкции, низким энергопотреблением, малыми габаритными размерами и массой. Для решения поставленных задач в данной работе предложено рассмотреть пневматическую схему исполнительного устройства нагрева и охлаждения, в которой в качестве теплоносителя используется воздух окружающей среды.
Разработкой оборудования для проведения ПЦР, построенного на базе пневматической схемы, занимаются такие зарубежные фирмы, как Cepheid (США), Corbett Research (Австралия), Idaho Technology (США). Среди отечественных производителей можно выделить Институт аналитического приборостроения РАН (г. Санкт-Петербург), ЗАО «ДНК-технолопш» (г. Москва) и ЗАО «Циклотемп» (г. Обнинск).

Перечень условных обозначений

Глава 1. Обзор конструктивных схем исполнительных устройств нагрева и охлаждении и методов расчета протекающих в них рабочих процессов

1.1. Конструктивные схемы исполнительных устройств нагрева и охлаждения

1.2. Современные методы расчета рабочих процессов в пневматических исполнительных устройствах нагрева и охлаждения
1.2.1. Математическое моделирование с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния
1.2.2. Математическое моделирование с учетом распределенных термодинамических параметров состояния
1.3. Постановка цели и задач исследования
Глава 2. Математическое моделирование рабочих процессов в пневматическом исполнительном устройстве нагрева и охлаждения
2.1. Схема исполнительного устройства нагрева и охлаждения и выбор расчетной области
2.2. Математическая модель рабочих процессов с учетом
сосредоточенных термодинамических параметров состояния
2.2.1. Расчетная область
2.2.2. Допущения
2.2.3. Расчетные зависимости
2.2.4. Система уравнений и условия однозначности
2.2.5. Метод решения
2.3. Математическая модель рабочих процессов с учетом распределенных термодинамических параметров состояния

2.3.1. Расчетная область
2.3.2. Допущения
2.3.3. Расчетные зависимости
2.3.4. Условия однозначности
2.2.5. Метод решения
2.4. Выводы
Глава 3. Численные исследования рабочих процессов в пневматическом исполнительном устройстве нагрева и охлаждения
3.1. Исследование рабочих процессов на основе модели с учетом сосредоточенных термодинамических параметров состояния
3.1.1. Исследование переходных процессов в элементах устройства
на этапах нагрева
3.1.2. Исследование работы устройства в режиме циклического изменения температуры
3.2. Исследование рабочих процессов на основе модели с учетом распределенных параметров состояния
3.2.1. Исследование распределения температуры в объеме реакционной смеси на этапах нагрева
3.2.2. Исследование распределения температуры в объеме реакционной смеси при циклическом режиме работы устройства
3.3. Исследование рабочих процессов в тепловом блоке малогабаритного высокоскоростного анализатора нуклеиновых кислот
3.3.1. Принципиальная схема
3.3.2. Расчетная область
3.3.3. Допущения и расчетные зависимости
3.3.4. Граничные и начальные условия
3.3.4. Результаты численных исследований
3.4. Выводы

Ф/Р = с1р/р + с1Т/Т следует, что для случая «низкоскоростного» течения изменение давления оказывает слабое влияние на температуру. Кроме того, при низких скоростях диссипативный член
Ф = г7(бг/,/о* )
мал, поскольку он пропорционален квадрату характерной скорости. Следовательно, в случае низкоскоростного течения в уравнении (1.13) можно пренебречь работой сил давления и диссипативным членом (выражение в скобках в правой части уравнения). Приведенная система уравнений описывает движение «ньютоновской» теплопроводной несжимаемой жидкости с малыми числами Маха.
В общем случае система уравнений (1.9 ... 1.13) не имеет
аналитического решения. Для получения приближенного решения используются вычислительные приемы [49 - 52, 82 - 84]. Сначала нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных, описывающие непрерывный процесс, а также вспомогательные (граничные и начальные) условия преобразуются в дискретную систему линейных алгебраических уравнений (этап дискретизации). Далее необходимо
построить итерационный алгоритм решения исходной системы
дифференциальных уравнений.
В настоящее время наиболее общепринятыми методами дискретизации являются следующие:
- метод конечных разностей (МКР);
- метод конечных элементов (МКЭ);
- метод контрольных объемов (МКО).
МКР [51, 52, 57, 58, 69] является по существу прямым следствием определения производной в используемой системе координат на