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ASM-CFD模型及ADABOOST算法在MBR模拟仿真中的应用研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 膜生物反应器概述

1.1.1 膜生物反应器的原理及分类

1.1.2 不同类型膜生物反应器的优点与不足

1.1.3 膜生物反应器的研究及应用现状

1.2 课题研究条件

1.3 研究内容、目的和意义

1.3.1 研究内吞

1.3.2 研究目的和意义

1.4 论文结构安排

第二章 MBR膜污染机理与控制

2.1 膜污染的概述

2.1.1 膜污染的形成

2.1.2 膜污染的分类

2.2 膜污染机理研究

2.2.1 浓差极化现象

2.2.2 恒压下膜污染的形成机理

2.2.3 恒通量下膜污染的形成机理

2.3 膜污染的影响因素

2.3.1 膜和膜组件的特性对膜污染的影响

2.3.2 进料液和污泥特性对膜污染的影响

2.3.3 膜组件的操作运行条件对膜污染的影响

2.4 膜污染的控制

2.4.1 膜污染的控制方法

2.4.2 膜污染的清洗方法

2.5 本章小结

第三章 基于ASM-CFD模型的MBR溶质浓度变化的研究

3.1 活性污泥法模型(ASM)

3.1.1 Monod(莫诺特)模型

3.1.2 Eckenfelder(埃肯菲尔德)模型

3.1.3 McKinney(麦金尼)模型

3.1.4 Lawrence-McCarty(劳伦斯-麦卡蒂)模型

3.2 ASM降解有机物过程

3.3 CFD方法

3.3.1 CFD概述及应用状况

3.3.2 FLUENT软件包介绍

3.3.4 CFD求解过程

3.4 ASM-CFD模拟MBR反应器中溶质浓度变化

3.5 本章小结

第四章 AdaBoost_BP模型在MBR膜通量预测中的应用

4.1 BP神经网络概述

4.1.1 BP神经网络结构

4.1.2 BP神经网络算法

4.1.3 BP神经网络缺陷

4.2 AdaBoost算法介绍

4.2.1 AdaBoost算法原理

4.2.2 AdaBoost算法流程

4.2.3 AdaBoost算法误差分析

4.3 基于BP及AdaBoost_BP的MBR仿真预测模型

4.3.1 数据预处理

4.3.2 BP和AdaBoost_BP模型的建立

4.3.3 进行实验及结果分析

4.4 本章小结

第五章 梯度提升决策树在MBR膜通量预测中的应用

5.1 决策树概述

5.2 分类决策树

5.2.1 特征选择

5.2.2 决策树的生成

5.2.3 决策树剪枝

5.3 回归树

5.4 提升树算法

5.5 梯度提升决策树算法

5.6 基于梯度决策树的MBR仿真预测实验及分析

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

附录

致谢

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摘要

膜生物反应器(MBR)技术作为近些年来污水处理的新兴技术,具有出水水质稳定,不受场地限制,易于实现自动控制等特点,得到了越来越多的学者和专家的重视与关注,发展前景也越发的被相关领域人员看好。然而MBR整个系统中,包含了复杂的物理变化、化学变化以及生化反应。如何高效且较精确的模拟反应池中水质特征以及找到合适的运行条件和控制参数预测通量都是业界比较关心的问题,也是近来MBR研究的热点。
  经典的活性污泥模型(ASM),虽然能够从某种层面上描述溶液溶质浓度在微生物生化反应的影响下的变化情况,但却描述的是一种平均值水平,不能很好的模拟MBR反应池具体位置液体浓度的变化情况。且单纯的采用计算流体力学(CFD)方法来模拟整个MBR的水动力环境,也势必会忽略掉生物反应对于水质条件改变的影响因素,模拟出来的水质达不到理想的效果,因此本文提出将ASM模型与CFD方法结合起来研究,并引入计算流体力学中较流行的FLUENT软件包进行数学建模和计算机模拟,得出溶质浓度的分布图,基本符合理论的实际情况,具有一定的可行性。
  此外,在对MBR膜污染、膜通量的智能仿真预测的模型研究中发现,传统的BP神经网络虽然在某种程度上具有较好的拟合效果,也基本能建立起任意输入与输出的非线性关系,但对于MBR整个系统来说,精确的操作条件和控制参数,不仅能节约成本,还能得到更多的出水量。于是本文在BP模型的基础上引入了AdaBoost算法,采用强化学习的手段对传统模型进行加强,得到了AdaBoost_BP预测模型,与单一的BP神经网络进行了纵向的实验对比,此外,基于迭代与强化的思想,本文引入了机器学习另一个优秀的算法即梯度提升决策树,并将其应用到MBR膜通量的智能仿真预测中,重新对实验数据训练和建模,并与AdaBoost模型进行了横向的实验对比。两个对比实验表明,加强后的BP神经网络与梯度提升决策树都具有良好的预测能力,两者性能相当,且在精度上比传统单一的BP提升了不少,能够很好的完成对MBR膜通量的预测,具有一定的推广作用。

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