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如果实验范围和实验点的选择不恰当,即使实验点再多,实验数据再精确,也达不到预期的实验目的。
如果实验设计不恰当,而试图靠精确的实验技巧或高级的数据处理技术加以弥补,是得不偿失甚至是徒劳的。
相反,选择适当的实验范围和实验点的位置,即使实验数据稍微粗糙一些,数据少一些,也能达到实验目的。
因此,在化工原理实验中,恰当的实验范围和实验点位置比实验数据的精确性更为重要。
三、实验规划方法
实验规划就是实验设计方法的讨论,属于数理统计的范畴。
关于这方面内容的专著很多,本节仅从化工原理实验应用的角度,介绍几种常用的方法。
1.网格实验设计方法
在确定了化工原理实验变量数和每个变量的实验水平数后,在实验变量的变化范围内,按照均匀布点的方式,将各变量的变化水平逐一搭配构成一个实验点,这就是网格实验设计方法。
显而易见,网格实验方法是把实验点安排在网格的各节点上。
若实验变量数为n,实验水平数为m,则完成整个实验所需的实验次数为mn。
显然,当过程的变量数较高时,实验次数显著增加。
对于化工原理实验,涉及的变量除了物性变量,如黏度、密度、比热外,通常还要涉及流量、温度、压力、组成、设备结构尺寸等变量。
因此,除了一些简单的过程实验,采用网格法安排实验是很不经济的,当涉及的变量较多时,更不适合采用此方法。
2.正交实验设计方法
用正交实验表安排多变量实验的方法称为正交实验设计法,这也是科技人员进行科学研究的重要方法之一。
该方法的特点是:完成实验所需的实验次数少;数据点分布均匀;可以方便地应用方差分析方法、回归分析方法等对实验结果进行处理,获得许多有价值的重要结论。
对于变量较多和变量间存在相互影响的情况,采用正交实验方法可带来许多方便,不仅实验次数可较网格法减少许多,而且通过对实验数据的统计分析处理,可以直接获得因变量与各自变量之间的关系式,还可通过鉴别出各自变量(包括自变量之间的相互作用)对实验结果影响程度的大小,从而确定哪些变量对过程是重要的,需要在研究过程中重点考虑,哪些变量的影响是次要的,可在研究过程中做一般考虑,甚至忽略。
3.均匀实验设计方法
这是我国数学家方开泰运用数论方法,单纯地从数据点分布的均匀性角度出发所提出的一种实验设计方法。
该方法是利用均匀设计表来安排实验,所需的实验次数要少于正交实验方法。
当实验的水平数大于5时,宜选择采用该方法。
4.序贯实验设计方法
传统的实验设计方法都是一次完成实验设计,当实验全部完成以后,再对实验数据进行分析处理。
显然,这种先实验、后整理的研究方法是不尽合理的。
一个有经验的科技人员总是会不断地从实验过程中获取信息,并结合专业理论知识加以判断,对不合理的实验方案及时进行修正,从而少走弯路。
因此,边实验,边对实验数据进行整理,并据此确定下一步研究方向的实验方法才是一种合理的方法。
在以数学模型参数估计和模型筛选为目的的实验研究过程中,宜采用此类方法。
序贯实验设计方法的主要思想是:先做少量实验,以获得初步信息,丰富研究者对过程的认识;然后在此基础上做出判断,以确定和指导后续实验的条件和实验点的位置。
这样,信息在研究过程中有交流、有反馈,能最大限度地利用已进行的实验所提供的信息,将后续的实验安排在最优的条件下进行,从而节省大量的人力、物力和财力。
四、实验流程设计
流程设计是化工原理实验过程中的一项重要的工作内容。
由于化工原理实验装置是由各种单元设备和测试仪表通过管路、管件、阀门等以系统合理的方式组合而成的整体,因此,在掌握实验原理,确定实验方案后,要根据前两者的要求和规定进行实验流程设计,并根据设计结果搭建实验装置,完成实验任务。
1.化工原理实验流程设计的内容及一般步骤
(1)化工原理实验流程设计一般包括以下内容:
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