反應動力學是研究化學反應速率以及各種因素對化學反應速率影響的學科。傳統上屬於物理化學的範圍,但為了滿足工程實踐的需要,化學反應工程在其發展過程中,在這方面也進行了反應動力學大量的研究工作。絕大多數化學反應並不是按化學計量式壹步完成的,而是由多個具有壹定程序的基元反應(壹種或幾種反應組分經過壹步直接轉化為其他反應組分的反應,或稱簡單反應)所構成。反應進行的這種實際歷程稱反應機理。
壹般說來,化學家著重研究的是反應機理,並力圖根據基元反應速率的理論計算來預測整個反應的動力學規律。化學反應工程工作者則主要通過實驗測定,來確定反應物系中各組分濃度和溫度與反應速率之間的關系,以滿足反應過程開發和反應器設計的需要。
按化學反應的不同特點和不同的應用要求,常用的動力學模型有:
基元反應模型根據對反應體系的了解,擬定若幹個基元反應,以描述壹個復雜反應
反應動力學
(由若幹個基元反應組成的反應)。按照擬定的機理寫出反應速率方程,然後通過實驗來檢驗擬定的動力學模型,估計模型參數。這樣得到的動力學模型稱為基元反應模型。合成氨的鏈反應機理動力學模型即為壹例。
分子反應模型根據有關反應系統的化學知識,假定若幹分子反應,寫出其化學計量方程式。所假設的反應必須足以反映反應系統的主要特征。然後按標準形式(冪函數型或雙曲線型)寫出每個反應的速率方程。再根據等溫(或不等溫)動力學實驗的數據,估計模型參數。這種方法已被成功地用於某些比較復雜的反應過程,例如乙烷、丙烷等烴類裂解。
經驗模型從實用角度出發,不涉及反應機理,以較簡單的數學方程式對實驗數據進行擬合,通常用冪函數式表示。
對於有成千上萬種組分參加的復雜反應過程(如石油煉制中的催化裂化),建立反應動力學
描述每種組分在反應過程中的變化的分子反應模型是不可能的。近年來發展了集總動力學方法,將反應系統中的所有組分歸並成數目有限的集總組分,然後建立集總組分的動力學模型。集總動力學模型已成功地用於催化裂化、催化重整、加氫裂化等石油煉制過程。
微生物反應動力學模型有哪些微生物反應動力學模型包括以下幾種:
1、Monod模型:最基本的微生物反應動力學模型,描述了微生物在單壹有機底物的情況下的生長和代謝過程。
2、Haldane模型:將底物抑制和底物限制的影響考慮在內,更加貼近實際情況。
3、Contois模型:將生物量增長速率與底物濃度之比作為微生物生長速率的函數,適用於微生物生長過程中底物濃度快速變化的情況。
4、Andrews模型:將底物抑制和底物限制的影響、微生物生長速率與底物濃度之間的非線性關系以及微生物生長後期的抑制作用考慮在內,適用於復雜底物混合物的情況。
5、Moser模型:考慮到微生物生長過程中的代謝產物對微生物生長速率的抑制作用,適用於微生物生長過程中代謝產物濃度快速積累的情況。
動力學模型是和傳遞函數有關嗎是。動力學模型是在運行的時候是會用到這個傳遞函數的,二者是有關的,關系是很密切的。應用系統動力學的基本理論和DYNAMO語言建立的仿真模型。系統動力學模型可用於宏觀經濟和微觀經濟。
SUMO 中的車輛動力學模型SUMO 中車輛動力學模型包括兩方面
longitudinal model 動力學模型: 縱向動力學模型,描述車輛加速和減速
lateral model :橫向動力學模型,描述車輛換道
在 longitudinal model 方面,由於 SUMO 主要用於研究車輛的外部行為、多車交互和交通流,對於單個車輛建模精度要求不高,可以近似看作質點,采用比較簡單的 car-following model (跟車模型) 來描述車輛速度和位置變化規律。car-following model 中包含兩種情況:無前車和有前車。
在 lateral model 方面,SUMO 采用 lane changing model ( 參考文獻 )。簡單地說就是以決策樹的方式設定諸多換道條件,只要滿足某些條件,就進行相應的換道操作。
默認的 lane changing model 是瞬間換道,即在壹個 simulation step 中完成換道,直觀地看就是車輛在兩個車道之間瞬移。
更加精細的模型包括:
具體設置可以參考
本文主要介紹 car-following model.
要動力學模型了解 SUMO 中默認使用的改進 Krauss model,需要先了解壹下原始的 Krauss model 的建模思想。
Krauss model 來自文獻:
假設為 leader 與 follower 車間距,其中為車身長度。
如果要求車輛不相撞,需要滿足
其中
為了計算, 需要給出速度與剎車距離的函數表達式 和 。下邊用函數在處的 Taylor 展開近似替代函數,忽略高階項得到
下邊的問題就是如何計算導數 .
假設剎車時加速度為,則有
其中的積分項對應了剎車加速度為情況下的剎車距離。
壹般我們在計算距離時習慣將積分區間設定為時間,而被積函數為速度。這裏是將積分區間設定為速度的變化區間,對時間進行積分。這樣積分之後得到關於速度的函數,以便後續的操作。
將 式帶入 式中得
上述表達式右邊 含有,所以需要再整理壹下,得到 的顯式表達為
其中原本的 也替換為了最大剎車加速度.
上述式子就是 SUMO 中 original Krauss model 的安全跟車速度表達式,部分 程序源碼 如下:
這裏 式右邊就是安全跟車速度,記做 。但是,這壹速度還不是最終車輛采用的跟車速度。與無前車情況類似,我們也要保證跟車速度不能超過允許的最大速度,因此要取安全速度和允許最大速度中的較小值,即
其中為最大加速度,為仿真更新步長。
另外,可以引入隨機因子,表示車輛並不壹定按照上述安全跟車速度行駛,可以取更小的值,即
其中為外部設定的 imperfection parameter,表征了偏離的程度。
總結算法步驟:
盡管 SUMO 中包含了上述原始 Krauss model,但是沒有作為默認 car-following model,而是做了較大改動。改進模型與原始的 Krauss 模型的出發點是相同的:在保證不碰撞的前提下,車速盡量的快。但在計算安全速度方面,與原始 Krauss 完全不同。
改進的 Krauss model 依然基於上述公式,但並沒有采用泰勒展開方式近似表達剎車距離函數,而是直接數值計算。步驟與源碼實現如下:
上式中 為前車速度減到 0 需要的時間。
在 SUMO 源碼中通過brakeGapEuler 函數實現上述計算過程。
這裏需要註意的是,SUMO 默認采用Euler 數值積分方式 ,在計算位置時公式如下:
即時刻的位置等於時刻的位置加上時刻的速度造成的位置變化。
明白了這種積分方式才能更好的理解源碼中的計算公式。
得到安全跟車速度之後,其余部分與原始的 Krauss model 類似的,要與允許的最大速度比較,並且考慮隨機因素。具體在followSpeed 函數和dawdle2 函數中實現。
反應動力學的動力學模型按化學反應動力學模型的不同特點和不同的應用要求動力學模型,常用的動力學模型有: 從實用角度出發,不涉及反應機理,以較簡單的數學方程式對實驗數據進行擬合,通常用冪函數式表示。
對於有成千上萬種組分參加的復雜反應過程(如石油煉制中的催化裂化),建立描述每種組分在反應過程中的變化的分子反應模型是不可能的。近年來發展了集總動力學方法,將反應系統中的所有組分歸並成數目有限的集總組分,然後建立集總組分的動力學模型。集總動力學模型已成功地用於催化裂化、催化重整、加氫裂化等石油煉制過程。