一种吸液过程的仿真方法及系统

技术领域

本申请涉及液体滴落过程仿真技术领域，特别是涉及一种吸液过程的仿真方法及系统。

背景技术

爆珠卷烟是目前市场上最为火爆和最流行的卷烟，将香精包裹在胶囊中并添加到卷烟滤棒中去可实现香精的持久保留，防止香味的散失，同时，胶囊中包括不同种类的香精又可以满足不同消费者的需求，胶囊中的香精是由不同香精储料瓶的多种香精原料，按照一定的配比量加样至配液瓶中混合而成。

目前，调配平台首先是通过吸液管从储液瓶中吸取香精原料液体，然后再将吸取的香精原料液体加样至配液瓶中，基于调配平台进行自动吸液和加样的香精原料的种类越来越多，且在调配平台上每次需要吸液和加样的每种香精原料的重量越来越小，由于不同的香精原料的特性并不相同，不同的特性将会极大地影响不同香精原料在吸液过程中的吸取量和稳定时间，进而将会极大地影响香精原料的吸液精度和吸液效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请的目的为提供一种吸液过程的仿真方法及系统；本申请提供的吸液过程的仿真方法及系统，能够得到各香精原料的液体参数在吸液过程中对吸取量和稳定时间的具体影响大小的仿真结果，可以通过仿真结果来针对性地控制吸液过程，保证了不同的香精原料的吸液精度和吸液效率。

本申请提供的技术方案如下：

一种吸液过程的仿真方法，包括：

建立吸液管的气体段的气容方程；

建立吸液管的液体段的液容方程；建立吸液管的液体段的液感方程；

建立吸液管的液体段的液阻方程；

构建初始吸液仿真模型；

根据所述气容方程、所述液容方程、所述液感方程、所述液阻方程和所述初始吸液仿真模型，得到目标吸液仿真模型；

通过调整液体参数，基于所述目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的仿真结果。

优选地，所述液体参数包括吸液速度和液体粘度，所述通过调整液体参数，基于所述目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的仿真结果，包括：

通过调整所述吸液速度，基于所述目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的第一仿真结果；

通过调整所述液体粘度，基于所述目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的第二仿真结果，其中，所述第一仿真结果和所述第二仿真结果为所述吸液过程的仿真结果。

优选地，所述气容方程具体为：

优选地，所述液容方程具体为：

其中，C

其中，L为液感，ρ为液体密度，l为液体段的长度，A为液体段的截面积。优选地，所述液阻方程具体为：

其中，R

本申请还提供一种吸液过程的仿真系统，包括：

第一建立模块，用于建立吸液管的气体段的气容方程；

第二建立模块，用于建立吸液管的液体段的液容方程；

第三建立模块，用于建立吸液管的液体段的液感方程；

第四建立模块，用于建立吸液管的液体段的液阻方程；

构建模块，用于构建初始吸液仿真模型；

处理模块，用于根据所述气容方程、所述液容方程、所述液感方程、所述液阻方程和所述初始吸液仿真模型，得到目标吸液仿真模型；

仿真模块，用于通过调整液体参数，基于所述目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的仿真结果。

优选地，所述液体参数包括吸液速度和液体粘度，所述仿真模块在执行通过调整液体参数，基于所述目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的仿真结果，具体用于：

通过调整所述吸液速度，基于所述目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的第一仿真结果；

通过调整所述液体粘度，基于所述目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的第二仿真结果，其中，所述第一仿真结果和所述第二仿真结果为所述吸液过程的仿真结果。

本申请还提供一种吸液过程的仿真装置，包括：处理器、存储器和通信总线；

所述通信总线，用于实现所述处理器和所述存储器之间的连接通信；

所述处理器用于执行所述存储器中存储的吸液过程的仿真程序，以实现上述任一项所述吸液过程的仿真方法的步骤。

本申请还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现上述任一项所述吸液过程的仿真方法的步骤。

与现有技术相比较，本申请提供的一种吸液过程的仿真方法，包括：建立吸液管的气体段的气容方程；建立吸液管的液体段的液容方程；建立吸液管的液体段的液感方程；建立吸液管的液体段的液阻方程；构建初始吸液仿真模型；根据气容方程、液容方程、液感方程、液阻方程和初始吸液仿真模型，得到目标吸液仿真模型；通过调整液体参数，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的仿真结果，本申请中，通过调整液体参数，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，能够得到各香精原料的液体参数在吸液过程中对吸取量和稳定时间的具体影响大小的仿真结果，可以通过仿真结果来针对性地控制吸液过程，保证了不同的香精原料的吸液精度和吸液效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中提供的一种吸液过程的仿真方法的流程示意图；

图2为本申请实施例中提供的吸液过程中的某一时间吸液管的第一结构示意图；

图3为本申请实施例中提供的吸液过程中的某一时间吸液管的第二结构示意图；

图4为本申请实施例中提供的通过调整吸液速度，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到的吸液过程的第一仿真结果；

图5为本申请实施例中提供的通过调整液体粘度，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到的吸液过程的第二仿真结果；

图6为本申请实施例中提供的一种吸液过程的仿真系统的结构示意图；

图7为本申请实施例中提供的一种吸液过程的仿真装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1所示，本申请实施例提供一种吸液过程的仿真方法，包括：

S1、建立吸液管的气体段的气容方程；

本实施例中，吸液过程可以是采用吸液管对香精原料液体进行吸取的过程，如图2所示，吸液管100包括管体110和吸液头120，120吸液头的第一端和管体110连接，吸液头120的第二端(即尖端)用于和香精原料液体接触，管体110内设置有腔体111，腔体内设置有活塞112，活塞112可以在腔体111内沿管体110的内壁进行往返滑动运动，吸液过程中的某一时间，吸液管100的从活塞112的底端至香精原料液体之间的段为气体段130，吸液管100的香精原料液体所在的段为液体段140。

吸液过程可以是：先将吸液管的吸液头尖端伸入至储液瓶中和瓶中的香精原料液体接触，然后控制活塞向上滑动，腔体内的气体(如空气)的体积被压缩，实现香精原料液体的吸取。

腔体内的气体(如空气)的体积会随着压力的变化而变化，气体体积模量和压强变化、气体体积变化和初始气体体积相关，且气体体积变化和气体流量和时间相关，可以建立关于初始气体体积、气体体积模量和气容之间的气容方程。

S2、建立吸液管的液体段的液容方程；

本实施例中，在吸液的过程中，香精原料液体在吸液管的吸液头尖端内的压力的作用下流入吸液管中，液体的液位不断上升，一部分能量转为液体的重力势能，由于液体流量和液体段的截面积和单位时间液体上升的长度有关，通过初步分析，对于重力不可忽略的上升液柱来说，储存重力势能的液容和液体密度、重力加速度和液体段的截面积有关，可以建立关于液体密度、重力加速度、液体段的截面积和液容之间的液容方程。

S3、建立吸液管的液体段的液感方程；

本实施例中，液感是液体惯性的体现，一段质量为m的液体在管路中流动时，要改变流体的运动状态，必须施加外力F，外力F和液体密度、液体段的截面积、液体段的长度、单位时间的流体速度有关，压强变化和外力F与液体段的截面积有关，且流体速度与流量和液体段的截面积相关，经初步推断，液体段的液感和液体密度、液体段的长度、液体段的截面积以及液体是否处于层流状态有关，可以建立关于液体密度、液体段的长度、液体段的截面积、液体是否处于状态之间的液感方程。

S4、建立吸液管的液体段的液阻方程；

本实施例中，实际液体存在着粘性，液体在管路中流动时，液体分子之间、液体与管壁间摩擦碰撞等都会产生阻力而阻碍液体的流动，这种阻力称为液阻，可以定义为管路中液体的压强变化与液体流量之比，而压强变化与液体粘度、液体段的长度、圆周率、液体段的直径和液体流量有关，可以建立液体粘度、液体段的长度、圆周率、液体段的直径与液阻之间的液阻方程。

S5、构建初始吸液仿真模型；

本实施例中，当吸液管处于吸液过程时，活塞向上运动时在腔体内形成负压，腔体内气体如空气由于压强变小而体积增大，内外压力差迫使液体流入吸液管中，在吸液过程中，空气主要起到类似弹簧的作用，可以将液容、液感、液阻分别对应为机械系统中的弹性刚度、质量和阻尼，将腔体内的两段流体类比为两阶机械单元模型，参照两阶机械单元模型构建初始吸液仿真模型。

S6、根据气容方程、液容方程、液感方程、液阻方程和初始吸液仿真模型，得到目标吸液仿真模型；

本实例中，可以将气容方程、液容方程、液感方程、液阻方程代入初始吸液仿真模型中，得到目标吸液仿真模型。

S7、通过调整液体参数，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的仿真结果。

本实例中，可以通过调整吸液速度或液体粘度等液体参数，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到对应的吸液过程的仿真结果。

与现有技术相比较，本申请提供的一种吸液过程的仿真方法，包括：建立吸液管的气体段的气容方程；建立吸液管的液体段的液容方程；建立吸液管的液体段的液感方程；建立吸液管的液体段的液阻方程；构建初始吸液仿真模型；根据气容方程、液容方程、液感方程、液阻方程和初始吸液仿真模型，得到目标吸液仿真模型；通过调整液体参数，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的仿真结果，本申请中，通过调整液体参数，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，能够得到各香精原料的液体参数在吸液过程中对吸取量和稳定时间的具体影响大小的仿真结果，可以通过仿真结果来针对性地控制吸液过程，保证了不同的香精原料的吸液精度和吸液效率。

作为一种实施方式，本申请实施例中，液体参数包括吸液速度和液体粘度，步骤S7，包括：

S71、通过调整吸液速度，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的第一仿真结果；

本实施例中，可以在Simulink软件中进行仿真，在活塞停止运动后，由于空气类似于弹簧的作用导致液面上升存在一定的滞后性，需要等待一段时间保证活塞腔内气压、液面的平衡后，才能提起吸液头离开液面，否则吸液头过快地离开液面将会导致吸液误差较大，吸液速度对液面的稳定时间十分重要，为了研究吸液速度对稳定时间和吸取量的影响，通过调整吸液速度，如对活塞的速度即吸液速度分别设定为60mm/s、100mms、120mm/s、150mm/s、200mm/s、300mm/s时同样吸取1000μL样本的液体体积对压力的波动和稳定时间，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到的吸液过程的第一仿真结果如图4所示，可以看出，吸液速度越快，由于液体上升的滞后性，吸取同样液体时所产生的压力波动越大，同时也需要更长的稳定时间，通过仿真的结果可知：(1)在吸取液体结束后，应将吸液头尖端在液面继续停留100ms—200ms左右，使液面稳定，以保证吸取量和吸液精度，不同吸液速度所需稳定时间不同；(2)吸取1000μL液体时，吸取速度在范围100mm/s—200mm/s内较合理，此时吸液时间与稳定时间的总体执行时间较短，若速度在100mm/s以下，稳定时间较短，但是吸液时间比较长，将严重地影响吸液效率；而吸液速度大于200mm/s时，尽管吸液时间很短，但是需要更长的稳定时间，总体执行时间相对并没有较大提升，反而由于速度过快可能导致吸取过量的液体，将使后续的加样精度降低，因此，在实际吸液过程中，可根据不同香精原料的体积和实际需求选择合适的吸液速度。

S72、通过调整液体粘度，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的第二仿真结果，其中，第一仿真结果和第二仿真结果为吸液过程的仿真结果。

本实施例中，当香精原料液体粘度较大时，内部分子间的摩擦力比较大，受到的阻力也相对较大，对于在管路中流动的液体，粘滞性的作用对流体运动影响十分重要，通过调整液体粘度，如分别设定0.5mPa·s、1mPa·s、2mPa·s、3mPa·s四组不同液体粘度，对应吸取样本量与管内压强波动曲线，基于液体滴落仿真模型对液体滴落过程进行仿真，得到的液体滴落过程的第二仿真结果如图5所示，从结果可以看出，液体的粘度越大，液体流动的阻力也越大，液体达到稳定时间就越长，当液体样本的粘度在0.5mPa·s—3mPa·s变化时，可见3mPa·s到达稳定时间更长，需要到达0.4s左右后才稳定，所以在0.4s之后吸液头才能离开液面，执行下一步动作，否则将影响吸取量和吸液精度；当吸取液体特性为低粘度时，液体在吸液头中的流动性较强，吸液停止后，样本在吸液头内处于欠阻尼状态，活塞停止后液面与压力会在较短上下波动后趋于稳定，如对于与水特性相似的液体，吸液后100ms后可稳定，在吸液稳定后就控制吸液头离开液面，可以有效地保证吸液效率。作为一种实施方式，本申请实施例中，气容方程具体为：

本实施例中，腔体内的气体(如空气)的体积会随着压力的变化而变化，形成了类似弹簧的储能元件，根据气体体积模量的计算公式，可以得到以下第一压强公式：

其中，ΔP为气体压强变化，ΔV为气体体积变化，Q为气体流量，t为时间，对于管路中的压缩性的气体类比于弹簧元件，根据第一压强公式，可以得到气容方程为：

其中，C

作为一种实施方式，本申请实施例中，液容方程具体为：

其中，C

其中，Q为液体流量，A为液体段的截面积，l为液体段的长度，t为时间。

通过分析，对于重力不可忽略的上升液柱来说，根据第一流量公式，可以得到液容方程为：

其中，C

作为一种实施方式，本申请实施例中，液感方程具体为：

其中，L为液感，ρ为液体密度，l为液体段的长度，A为液体段的截面积。

本实施例中，液感是液体惯性的体现，一段重量为m的液体在管路中流动时，要改变流体的运动状态，必须施加外力F，则有以下外力公式：

其中，F为外力值，m为液体重量，v为液体速度，t为时间，ρ为液体密度，A为液体段的截面积，l为液体段的长度。

根据外力公式通过整理可以得到以下第二压强公式，具体为：

其中，ΔP为压强变化，F为外力值，A为液体段的截面积，ρ为液体密度，l为液体段的长度，v为液体速度，t为时间，Q为液体流量。

根据第二压强公式，可以得到初始的液感方程为：

其中，L为液感，ρ为液体密度，l为液体段的长度，A为液体段的截面积。

但液体由于存在粘滞性而具有层流和紊流两种不同的流动形态，层流和紊流状态的液体的液感存在差别，通常以雷诺数Re作为判断流体状态的标准，当Re小于2300时为层流，大于10000时为紊流状态，，雷诺数Re可由雷诺数公式计算得出，雷诺数公式具体如下：

其中，R

将管段参数和各种不同类型的香精原料液体的参数代入雷诺数公式中，得到的雷诺数均远小于2300，故认为吸液时液体流动处于层流状态，但由于流体处于层流状态，在管路中的流动面呈抛物线状，将初始的液感方程进行调整，得到最终的液感方程，具体为：

其中，L为液感，ρ为液体密度，l为液体段的长度，A为液体段的截面积。

作为一种实施方式，本申请实施例中，液阻方程具体为：

其中，R

本实施例中，实际液体存在着粘性，液体在管路中流动时，液体分子之间、液体与管壁间摩擦碰撞等都会产生阻力而阻碍液体的流动，这种阻力称为液阻，可以定义为管路中液体的压强变化与液体流量之比，具体初始的液阻公式为：

其中，R

上述初始的液阻公式通过整理，可以得到第三压强公式，具体为：

其中，ΔP为压强变化，η为液体粘度，l为液体段的长度，Q为液体流量，π为圆周率，r为液体的半径，d为液体段的直径。

由上述第三压强公式，可以得到最终的液阻方程为：

其中，R

如图6所示，本申请还提供一种吸液过程的仿真系统，包括：

第一建立模块601，用于建立吸液管的气体段的气容方程；

第二建立模块602，用于建立吸液管的液体段的液容方程；

第三建立模块603，用于建立吸液管的液体段的液感方程；

第四建立模块604，用于建立吸液管的液体段的液阻方程；

构建模块605，用于构建初始吸液仿真模型；

处理模块606，用于根据气容方程、液容方程、液感方程、液阻方程和初始吸液仿真模型，得到目标吸液仿真模型；

仿真模块607，用于通过调整液体参数，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的仿真结果。

作为一种实施方式，本申请实施例中，液体参数包括吸液速度和液体粘度，仿真模块607在执行通过调整液体参数，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的仿真结果，具体用于：

通过调整吸液速度，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的第一仿真结果；

通过调整液体粘度，基于目标吸液仿真模型对吸液过程进行仿真，得到吸液过程的第二仿真结果，其中，第一仿真结果和第二仿真结果为吸液过程的仿真结果。

如图7所示，本申请还提供一种吸液过程的仿真装置，包括：处理器701、存储器702和通信总线703；

通信总线703，用于实现处理器701和存储器702之间的连接通信；

处理器701用于执行存储器702中存储的吸液过程的仿真程序，以实现上述任一项吸液过程的仿真方法的步骤。

本申请还提供一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现上述任一项吸液过程的仿真方法的步骤。

本说明书中各实施例采用递进方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例不同之处，各个实施例之间相同或相似部分相互参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。