基于Belousov--Zhabotinsky反应系统的计算机模拟方法的研究
在越来越看重绿色化工的今天，生化过程以其低原料成本与消耗，少废弃物的排放和毒性等特点得到了人们更多的关注。然而，生化过程是典型的复杂耦合系统，数学模型通常都是复杂的耦合微分方程，不易求解及分析，难以推广运用。Belousov-Zhabotinsky(B-Z)反应体系是一个有着多个耦合反应组成的复杂系统，是一个很好的研究复杂耦合系统的例子，研究B-Z反应系统动态特性对生化过程具有一般性意义。 本文应用分岔分析的方法对B-Z反应体系产生自振荡的原因进行了探讨，确定了产生自振荡的参数范围，并应用模拟的方法证明了在B-Z反应中自振荡是产生自组织行为的前提。在此基础上，运用化工传递过程中质量传递的理论推导了B-Z反应在二维平面上的传递方程，并应用有限差分法解该偏微分方程，在二维平面上模拟了B-Z反应的两种波:靶行波与螺旋波，为应用元胞自动机的方法模拟的等效性提供了一个参考。应用元胞自动机的方法，定性的模拟了B-Z反应过程，相比于直接应用B-Z反应机理模型模拟，用元胞自动机的方法模拟B-Z反应的效果更加直观，更能体现反应中的机理，且模拟的时空域更大。此外，本文还讨论了这两种模型化方法的区别，对两种算法及其求解难易程度进行比较，还讨论二者的互补因素，并对复杂耦合系统的特性进行探索，从而得到用元胞自动机算法准确模拟复杂耦合系统的方法，该方法同样也可以用于生化过程的研究，为建立可以指导工业实践的复杂耦合过程的描述方法提供了指导，也为进一步研究一般性的复杂系统奠定了基础。
生物化学过程;B-Z反应系统;动态特性;自振荡;元胞自动机
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
孙巍
2019
中文
TQ033
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）