Диссертация (Разработка метода расчета рабочих процессов и создание пневмовакуумной установки сепарации ДНК), страница 19

При малой скорости отделения капли от нижней части ячейкипроисходит полное формирование капли перед отделением. Это позволяетопределить расчетным методом диаметр образующихся капель.Результаты расчета полученной модели представлены на Рисунке 4.8.127а)Рисунок 4.7.б)Расчетная область с номерами ячеек (а) и сетка контрольныхобъемов (б) локальной моделиРисунок 4.8.Распределение фаз в локальной области при t=0,7cВ результате расчета получены значения расходов рабочей среды вячейках: Q1  0,147 мл , Q2  0,105 мл , Q3  0,09 мл , Q4  0,05 мл .сссс128Проведено численное исследование размера образуемой в нижней частиячейки №4 капли. Результаты расчета представлены на Рисунке 4.9. Расчетпоказывает, что капля полностью сформирована и имеет форму, близкую ксфере.а)Рисунок 4.9.б)Осевое сечение ячеек №3 и №4 при отделении капли отячейки №3 (t=0,85 c) (а) и определение диаметра капли,полученной при численном исследовании (б)Полученноерасчетноезначениедиаметракапли,измеренноеотносительно известного размера расчетной области (диаметра нижней частиячейки, равного 1,2 мм): dк.расч=3,2 мм.

Отличие данного значения от значениядиаметра капли, полученного экспериментально в разделе 3.4.3, составило:d  dк.расч  d к  3, 2  3,1  0,1мм . Относительная погрешность определениядиаметраd ddк.расчкаплиспомощьюразработаннойматематическоймодели0,1100%  3,1% .3,2Анализ полученных расчетных данных позволяет сделать нескольковыводов:1.В ячейках не наблюдается взаимовлияния течения рабочей среды, чтосоответствует выводам, полученным в [117].1292.Расходы рабочей среды, полученные в данном численном исследовании,соответствуютсустановленнойпогрешностьюрасходам,полученнымэкспериментально при аналогичных перепадах давлений и коэффициентахпроницаемости ячеек. Следовательно, применение локальной модели дляисследованияопределенныхобластейрабочейполостиУВСявляетсяоправданным.3.Разработанная математическая модель с минимальной погрешностью3,1% описывает процесс каплеобразования в нижней части рабочих ячеек УВС.4.2.4 Применение разработанной математической модели для расчетарабочих процессов в пневмовакуумной установке сепарации ДНК.Одним из предположений, определяющих причину некачественнойпробоподготовки, является значительное влияние неравномерности давлениявнутри блока вакуумной сепарации при откачке рабочей полости, т.к.

при этомвозможны различные перепады давлений на ячейках – следовательно,неравномерное течение рабочей среды в разных ячейках. В целях проверкиэтого проведено численное исследование неравномерности поля распределениядавлений в рабочей полости установки вакуумной сепарации при откачке еевакуумным насосом. Разработанная математическая модель нестационарноготечения рабочей среды в рабочей области блока вакуумной сепарациипозволила оценить распределение давлений внутри установки.Расчетная сетка общей модели, описывающей течение рабочей средывнутриблокавакуумнойсепарациисоответствуетрасчетнойобласти,изображенной на рисунке 2.3.а раздела 2.1.

Граничные и начальные условиярасчета модели соответствуют описанным в разделе 2.2.4. При этом Sвх рабочейобласти блока сепарации соответствует S12 расчетной области одной ячейки, аSвых соответственно S45. Задаются следующие параметры начальных условий:нижний и верхний уровни рабочей среды в ячейках H=4 мм, h=11,5 мм,paтм=101,3 кПа. Параметр граничных условий расчета: скорость потока рабочейсреды на выходе из рабочей полости uнас=0,35 м/с.

Граничные условия на130стенках расчетной области всей полости блока вакуумной сепарациианалогичны граничным условиям на поверхностях S4T подобласти Ω4 расчетнойобласти одной ячейки. Для примера на Рисунке 4.10. изображено графическоепредставление начальных условий – распределение фаз в начальный моментвремени.а)б)Рисунок 4.10. а – сетка рабочей области УВС общей математическоймодели, б – заполнение ячеек рабочей средой в начальный моментвремениВ качестве основных параметров модели задаются определенные изэкспериментальныхисследованийзначениякраевогоугласмачиванияпланшета очистки   68, 7  , коэффициента пористости пористых тел ячеекm  0, 27 и коэффициенты проницаемости ячеек в диапазоне k min  k  k max всоответствии с законом нормального распределения.В результате расчета получена картина распределения давлений внутриблока вакуумной сепарации, изображенная на Рисунке 4.11.

Векторноераспределение скоростей в рабочей области блока вакуумной сепарациипредставлено на Рисунке 4.12.131Рисунок 4.11. Картина распределения давлений внутри рабочей полостиУВС через Δtр=0,01сРисунок 4.12. Векторное распределение скоростей рабочей среды в блокевакуумной сепарацииАнализ расчетного распределения давлений в блоке вакуумной сепарациипозволяет сделать вывод о том, что неравномерности давлений внутри рабочейполости практически нет. При откачке рабочей полости вакуумированиепроисходит очень быстро, и давление распределяется равномерно.

Разницадавлений в различных точках блока вакуумной сепарации составляет около 1Па.132Численноеисследованиераспределениядавленийвнутриблокавакуумной сепарации позволило опровергнуть гипотезу о значительномвлиянии неравномерности давлений внутри блока вакуумной сепарации приоткачке рабочей полости, т.к. разница давлений пренебрежимо мала, инеравномерности давлений в рабочей полости практически не существует.Численный расчет рабочих процессов с применением разработаннойобщейматематическоймоделивразрабатываемойконструкциипневмовакуумной установки позволил определить:1.Конструктивныепараметрывысотырабочейобластиблокавакуумной сепарации и расположения соединения с системой откачки,удовлетворяющиетребованиямобеспеченияусловийработоспособностиустановки.2.Скоростные характеристики течения рабочей среды в ячейкахпланшета очистки, обеспечивающие эффективность работы установки прирегулировании потока, откачиваемого вакуумным насосом.3.Максимальный поток, откачиваемый вакуумным насосом дляобеспечения требуемого скоростного режима течения рабочей среды в ячейках:Qнасм3 4,2 10.с5133ГЛАВА 5.

РАЗРАБОТКА ПНЕВМОВАКУУМНОЙ УСТАНОВКИСЕПАРАЦИИ РАСТВОРОВ ДНК.Благодаря разработанному методу расчета и проведению на его основечисленных исследований рабочих процессов в УВС получена возможностьпроектирования нового оборудования для пробоподготовки, отличающегосяэффективным распределением внутренних параметров, что позволяет улучшитькачественные характеристики данных установок. Полученные в работеэкспериментальные и расчетные данные использованы для создания новойустановки пробоподготовки: пневмовакуумной установки сепарации растворовДНК. Результаты численного моделирования на основе разработаннойматематической модели позволили определить геометрические параметрырабочей области разрабатываемой установки (высоту рабочей области ипараметры подсоединения откачной системы) и функциональные параметрысистемы откачки (поток рабочей среды, создаваемый вакуумным насосом).Конструктивное исполнение установки вакуумной сепарации защищенопатентом Российской Федерации на полезную модель [43].5.1Установка вакуумной сепарации и разработка патента наполезную модель нового медицинского оборудования.Итогомданнойработыявляетсяразработаннаяноваяустановкавакуумной сепарации – пневмовакуумная установка сепарации (ПВУС)растворов ДНК.

ПВУС (Рисунки 5.1.-5.2.) содержит блок вакуумной сепарации1, вакуумный насос 2, колбу-сборник 3 в держателе 12, плату управлениядвигателем 4, блок питания 5, сетевой фильтр 6, которые закреплены в нижнейчасти корпуса 7, ручку управления скоростью откачки 8. Датчик давления 9соединен с блоком вакуумной сепарации через штуцер 10, закрепленный напередней панели верхней части корпуса 11. Также с помощью штуцеров 10колба-сборник 3 соединена с вакуумным насосом 2 и блоком вакуумнойсепарации 1. Внутри блока вакуумной сепарации 1 может быть расположено134съемное основание с различным количеством приемных микропробирок.Соединение вакуумного насоса 2, блока вакуумной сепарации и колбысборника 3 осуществляется с помощью вакуумных трубок 14.Рисунок 5.1. Общий вид пневмовакуумной установки сепарации ДНК.Рисунок 5.2.Расположение внутренних элементов пневмовакуумнойустановки сепарации ДНК135Блок вакуумной сепарации (Рисунок 5.3.) представляет собой соединениеверхней 1 и нижней части корпуса 2.

Верхняя часть корпуса 1 блока вакуумнойсепарациии нижняя часть корпуса 2 центрируются с помощью общегоболтового соединения 3 и соединяются вместе, образуя герметичную камерублагодаря уплотнению 4. В верхней части корпуса 1 имеются магниты 5. Внижней части корпуса закреплена планка 6 с винтами 7, которые вместе смагнитамиУплотнение5обеспечивают8необходимопредварительноедляподжатиегерметизацииуплотненияпланшета4.очистки,устанавливаемого на верхнюю часть корпуса 1.Рисунок 5.3. Конструктивное исполнение блока вакуумной сепарации.ПВУС содержит блок вакуумной сепарации, который предназначен дляпроведенияочисткирастворовДНКсиспользованиемширокораспространенных сменных планшетов очистки, имеющих 96 рабочих ячеек.Такие планшеты позволяют проводить очистку 96 проб одновременно споследующим забором очищенных проб в специальное приемное основание.136Отделение нуклеиновых кислот происходит благодаря удерживанию их напористом теле внутри каждой ячейки в связанном состоянии.