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第五章（第1页）

第五章

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一、实验规划的重要性

实验规划又称实验设计，从20世纪50年代起，实验规划作为数学的—个重要分支，以数理统计原理为基础，起初是在生物科学上发展起来的，其后就迅速应用于自然科学、技术科学和管理科学等各个领域，并取得了令人瞩目的成就。

在化工原理实验过程中，如何组织实验、如何安排实验点、如何选择检测变量、如何确定变化范围等都属于实验规划的范畴。

对于任何科学研究，实验是最耗费时间、精力和物力的，整个研究过程的主要成本也总是花在实验方面。

所以一个好的实验设计要能以最少的工作量获取最大的信息，这样不仅可以大幅度地节省研究成本，而且往往会有事半功倍的效果。

反之，如果实验计划设计不周，不仅费时、费力、费钱，而且可能导致实验结论错误。

化工原理中的实验工作大致可以归纳为以下两大类型。

1.析因实验

影响某一过程或对象的因素可能有许多，如物性因素、设备因素、操作因素等。

究竟哪几种因素对该过程或对象有影响，哪些因素的影响比较大，需在过程研究中着重考察，哪些因素的影响比较小可以忽略，哪些变量之间的交互作用会对过程产生不可忽视的影响，这些都是化工工作者在面对一个陌生的新过程时首先要考虑的问题。

通常解决这一问题的途径主要是根据有关化工基础理论知识加以分析，或者直接通过实验来进行鉴别。

由于化工过程的复杂性，即使是经验十分丰富的工程技术人员，也往往难以做出正确地判断，因此必须通过一定的实验来加深对过程的认识。

从这一意义上说，析因实验也可称为认识实验。

在开发新工艺或新产品的初始阶段，往往需要借助析因实验。

2.过程模型参数的确定实验

无论是经验模型还是机理模型，其模型方程式中都含有一个或数个参数，这些参数反映了过程变量间的数量关系，同时也反映了过程中—些未知因素的影响。

为了确定这些参数，需要进行实验以获得实验数据，再利用回归或拟合的方法来求取参数值。

要说明的是，机理模型和半经验半理论模型是先通过对过程机理的分析建立数学模型方程，再有目的地组织少量实验拟合模型参数。

经验模型往往是先通过足够的实验研究变量间的相互关系，然后通过对实验数据的统计回归处理得到相互的经验关联式，而事先并无明确的目的要建立什么样的数学模型。

因此，所有的经验模型都可以看成变量间关系的直接测定产物。

二、实验范围与实验布点

在化工原理实验规划中，正确确定实验变量的变化范围和安排实验点的位置是十分重要的。

如果变量的范围或实验点的位置选择不恰当，不但会浪费时间、人力和物力，而且可能导致错误的结论。

例如，在化工原理的流体流动阻力测定实验中，通常希望获得摩擦阻力系数λ与雷诺数Re之间的关系，实验结果可标绘在双对数坐标系中。

在小雷诺数范围内，λ随Re的增大逐渐变小，且变化趋势逐渐平缓；当Re增大到一定数值时，λ则接近某一常数而不再变化，此即阻力平方区。

若想用有限的实验次数正确地测定λ与Re的关系，在实验布点时，应当有意识地在小雷诺数范围内多安排几个实验点，而在大雷诺数范围内适当少布点。

倘若曲线部分布点不足，即使总的实验点再多，也很难正确反映λ随Re的变化规律。

再如，测定离心泵效率特性曲线的实验中，一般随流量Q的增大，离心泵效率η先随之增大，在达到最高点后，流量Q再增大，泵的效率η反而随之降低。

所以在组织该实验时，应特别注意正确确定流量的变化范围和恰当的布点。

如果变化范围的选择过于窄小，则得不到完整的正确结果；若根据有限范围内进行的实验所得结论外推，则将得到错误的结果。

这两个化工原理实验的例子说明，不同实验点提供的信息是不同的。