CN102855342A - 一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法 - Google Patents

一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法 Download PDF

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CN102855342A CN2012100769363A CN201210076936A CN102855342A CN 102855342 A CN102855342 A CN 102855342A CN 2012100769363 A CN2012100769363 A CN 2012100769363A CN 201210076936 A CN201210076936 A CN 201210076936A CN 102855342 A CN102855342 A CN 102855342A
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reactor
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liquid
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张冰
杨海真
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Tongji University
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Tongji University
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Abstract

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及到一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法。具体步骤为：利用基于计算流体力学技术的数值模拟软件，研究不同类型搅拌桨在不同桨槽径比和不同搅拌转速条件下反应器内部流场特性以及对制氢工艺的影响；采用两相流模型获得了速度场、湍动能及其耗散率、生物气体积分率和剪切率分布等详细流场信息，并且根据各流场信息对制氢工艺的影响，将模拟得到的不同的流场信息进行分析比较，从而确定最优的搅拌桨类型和搅拌转速组合，为搅拌槽式反应器的优化设计提供一种行之有效的方法。本发明技术成熟，避免了利用经验或半经验关联式的方法对反应器进行水力设计的盲目性，并且具有优化效果直观，优化周期短，节约成本等优点。

Description

一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法
技术领域
 本发明属于环境工程技术领域，具体涉及一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法。
背景技术
 厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器是利用厌氧活性污泥处理废水、产生氢气的一个复杂的物理、化学、生物多反应系统，在气、液、固三相体系内部发生诸多生化反应。因此，对该厌氧反应器的研究有必要描述其内部的微生物学、化学和物理学特征。其中，反应器内的流场对生化反应的历程和过程也有很大影响，水力停留时间和循环流量直接影响底物转化率和产物收率等工艺结果，速度场分布的均匀性影响反应器的有效容积，而局部流场的剪切作用则会对微生物细胞的生理状态发生影响。然而，目前对于该厌氧反应器的优化设计主要集中在生物和化学特征方面，较少从搅拌流场的物理特征及其对反应的影响方面去优化反应器设计。
 计算流体力学通过计算机求解描述流体运动的控制方程，揭示流体运动的物理规律，研究流体运动的物理特征。计算流体力学也是一门由多领域交叉而形成的一门应用基础学科，它涉及流体力学理论、计算机技术、偏微分方程的数学理论、数值方法等学科。随着相关技术的飞速发展，计算流体力学已逐渐作为一种反应器流场研究新手段而日益受到重视并得以广泛应用。无论是在废水生物反应器的设计、运行管理、放大，还是在废水处理技术的研究和开发方面均有重要的使用价值。现在已经有很多的CFD商业化软件，它们提供有大量的物理模型、高效的数值解法和友好的用户界面，大部分还提供有程序接口，用户可以根据需要添加自己的模型。
国内对废水处理反应器的流场机理研究较少，在实际设计中常是依据经验来设计，而设计中往往存在参数数据有限或是实际数据无法得到，使得反应器的设计带有一定的盲目性，很难进行最优化选择。在很多情况下，废水生物反应器的设计、放大、操作依赖经验要多于科学，利用一些理想的、经验的关联式得到的结果很难体现实际流场对反应的影响，而对多种反应器进行实际尝试比较在经济与时间上都是不可实现的。因而需要有成熟的流体力学机理模型来对废水生物反应器模拟与仿真作为工艺选择和反应器设计的理论依据，同时可以用于废水处理反应器的工程放大。
发明内容
 本发明的目的在于提供一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法，以达到反应器内部水力流场的最优化设计。
本发明提出的厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法，利用基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, 简称CFD）技术的数值模拟软件，研究不同类型搅拌桨在不同桨槽径比和不同搅拌转速条件下反应器内部流场特性以及对制氢工艺的影响；采用两相流模型获得了速度场、湍动能及其耗散率、生物气体积分率和剪切率分布等详细流场信息，并且根据各流场信息对制氢工艺的影响，将模拟得到的不同的流场信息进行分析比较，从而确定最优的搅拌桨类型和搅拌转速组合，实现厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器内部水力流场的优化设计。具体步骤如下：
1、前处理——几何建模与网格生成
利用Ansys ICEM CFD12.0按照厌氧生物制氢反应器的几何尺寸，对配置不同类型搅拌桨的厌氧生物制氢反应器进行三维几何建模和网格生成；其中：
建模过程中将厌氧生物制氢反应器分为旋转域和固定域两部分分布建模。旋转域包括搅拌桨和一部分搅拌桨轴，以及旋转域边界以内的流体；反应器其他部分（如挡板，筒壁等）以及旋转域边界以外的流体作为固定域；忽略反应器内筒、三相分离挡板和溢流挡板的厚度，将其近似为薄表面结构；
网格生成采用非结构化四面体网格生成方法，并且采用局部网格加密对旋转域和固定域两个计算区域中壁面附近的网格点重新布置，以确保网格质量和计算精度。为各模型选择并命名边界类型，导出配置不同类型搅拌桨的模型对应的网格文件。
2、计算求解——计算域划分、计算模型选择、初值设置与迭代求解
（1）、计算域划分
采用多重参考系法，将厌氧生物制氢反应器分为旋转域和固定域两部分，分别对应旋转参考系和固定参考系，域边界采用液-液界面，Frozen Rotor模型用于关联旋转域和固定域。
（2）、计算模型选择    
选择模型基于以下假设：忽略活性污泥的沉降特性，以均匀分布在反应器中的12个点源以一定流量导入直径为1mm的球形气泡，模拟厌氧制氢发酵过程中产生的生物气；将反应器中的流体简化为气液两相流。
建立欧拉—欧拉双流体模型模拟厌氧生物制氢反应器中气液两相流，建立湍流模型模拟搅拌流场，所述湍流模型采用标准湍动能——湍动能耗散率(k-ε)模型。
1）、模型控制方程
对于气液两相流体系，各相的连续性方程如下：
Figure 865933DEST_PATH_IMAGE001
                                                      （1）
Figure 471489DEST_PATH_IMAGE002
                                                        （2）
其中t为时间，
Figure 375860DEST_PATH_IMAGE003
为密度，u为相速度，
Figure 417675DEST_PATH_IMAGE004
是相含率，下标g和l分别代表气相和液相，相含率遵循如下约束条件：
Figure 169731DEST_PATH_IMAGE005
                                               （3）
气液两相流中各相的动量输运方程如下：
Figure 179144DEST_PATH_IMAGE006
               （4）  
Figure 383860DEST_PATH_IMAGE007
                （5）    
其中p为压力，g为重力加速度，
Figure 271176DEST_PATH_IMAGE008
为有效粘度，
Figure 64688DEST_PATH_IMAGE009
为界面作用力项。
2）、相间作用力方程
在所建模型中，产生的生物气与液相相界面的作用力被考虑在内，并且通过在动量方程中添加界面作用力项
Figure 995735DEST_PATH_IMAGE009
的方式来实现（具体见公式4和公式5）。对于气液两相流体系而言，相间界面作用力主要包括曳力、升力和湍流扩散力等；
动量方程中气液界面作用力项
Figure 373234DEST_PATH_IMAGE009
关系表示为：
Figure 297196DEST_PATH_IMAGE010
                                                                （6）
作为分散相的气相作用于连续相的液相的曳力可以表示为：
                                               （7）
其中
Figure 814207DEST_PATH_IMAGE012
为反应器内平均气泡直径，
Figure 180467DEST_PATH_IMAGE013
是气液相间曳力系数，可由Ishii-Zuber曳力模型计算：
Figure 141076DEST_PATH_IMAGE014
                       （8）
其中
Figure 722230DEST_PATH_IMAGE015
是气液混合雷诺数，计算如下：
Figure 244347DEST_PATH_IMAGE016
                                                           （9）
其中
Figure 599367DEST_PATH_IMAGE017
                                                       （10）
其中                                                          （11）
其中
Figure 300793DEST_PATH_IMAGE019
是Eorvos数，计算如下：
                                                           （12）
其中
Figure 646247DEST_PATH_IMAGE021
是气液相间表面张力。
其中
Figure 653387DEST_PATH_IMAGE022
计算如下：
Figure 943554DEST_PATH_IMAGE023
                                                      （13）
其中                                                      （14）
垂直作用于气相运动方向的升力，可由下式计算：
                                                 （15）
其中
Figure 180872DEST_PATH_IMAGE026
是升力系数，其值为0.5。
虚拟质量力和湍流扩散力在气液两相流中影响很小，忽略不计。
3）、湍流封闭方程
模拟搅拌流场采用标准湍动能——湍动能耗散率(
Figure 778075DEST_PATH_IMAGE027
-
Figure 517623DEST_PATH_IMAGE028
)模型，方程如下：
Figure 380537DEST_PATH_IMAGE029
                                            （16）
Figure 729479DEST_PATH_IMAGE030
                                   （17）
其中
Figure 476462DEST_PATH_IMAGE027
为湍流脉动动能，m2/s2；为湍动能耗散率，m2/s3。
其中液相湍流粘度
Figure 235656DEST_PATH_IMAGE031
计算如下：
Figure 952070DEST_PATH_IMAGE032
                                                               （18）
动能生成项
Figure 71336DEST_PATH_IMAGE033
计算如下：
 
Figure 447960DEST_PATH_IMAGE034
                                （19）
分散相的湍流粘度
Figure 970952DEST_PATH_IMAGE035
计算如下：
Figure 474745DEST_PATH_IMAGE036
                                                                （20）
标准
Figure 963364DEST_PATH_IMAGE027
-
Figure 261622DEST_PATH_IMAGE028
模型中常量取值为：
Figure 337156DEST_PATH_IMAGE037
=1.44，
Figure 831591DEST_PATH_IMAGE038
=1.92，
Figure 659870DEST_PATH_IMAGE039
=0.09，
Figure 142411DEST_PATH_IMAGE040
=1.0，
Figure 688930DEST_PATH_IMAGE041
=1.3。
（3）、初值设置
对底物泵入厌氧生物制氢反应器的入口设定为固定流量入口边界条件，边界紊流条件设定为低紊流强度（0.5%~5%）。处理后的混合液流出厌氧生物制氢反应器的出口设定为大气压条件下的静压出口边界条件。厌氧生物制氢反应器顶部的生物气出口边界设定为脱气边界条件。所有其他固体表面，包括搅拌桨叶片、搅拌轴、挡板和反应器壁均被设定为壁面边界条件，对于混合液是无滑移壁面，对于生物气是自由滑动壁面。
（4）、迭代求解
用ANSYS CFX12.0求解器，采用高解析格式求解，时间步长设定为自动，均方根残差收敛标准为1.0E-4，以气相和液相速度参数（U,V,W）和湍动能参数（-
Figure 686153DEST_PATH_IMAGE028
）作为残差收敛检测窗口，进行稳态迭代计算，直到收敛，保存计算结果。
3、后处理——流场信息获取与优化选择
将计算结果进行可视化处理，得到不同类型搅拌桨和搅拌转速组合工况下每个稳态模拟的速度场、气体体积分率、剪应力和湍动能等流场信息，根据各流场信息对厌氧生物制氢工艺的影响将模拟结果进行横向和纵向比较，得到最优搅拌桨类型和转速组合工况，实现厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的设计优化。
本发明提出的一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法，与传统经验半经验的关联式进行优化设计的方法相比，其优势在于：
（1）  CFD技术可以提供用实验方法很难得到的、更加全面的数据。在搅拌反应器的模拟中采用多坐标系和滑动网格，可以得到每一个桨叶附近流体流动的细节。
（2） CFD技术是基于基本物理定律的，当缺乏经验关联式和实验数据时可以利用CFD技术进行优化设计和解决工程问题。
（3） CFD技术不仅可获得对过程机理的深入理解，而且可判断过程故障的根本原因、关键部分以及扩产能力，进一步可验证各种改造方案的效能。
（4）在传统反应器设计开发环境中，大量的创新思路或设想难以验证，而在CFD技术辅助开发环境中，新设想的验证变得容易，设计者直接利用CFD技术分析验证新想法，因此有助于进行技术创新。此外，由于极低的重复成本，CFD技术使包含大量设计循环的优化设计成为可能。
（5）在工程放大方面，CFD技术也有很大的优势，由于CFD技术采用机理模型，原则上不限制结构形式、结构尺寸、工艺参数、操作参数，因此通过CFD模拟技术可以直接跳过“实验室—小试—中试—工业”传统放大过程的某些环节，因此可以节省大量资金和时间，而且由于掌握了大量数据，放大的可靠性也较高。
附图说明
图1 优化方法流程图。
图2 搅拌桨示意图 (A) PBT桨; (B) RT桨。
图3 反应器模型网格分布。
图4 搅拌轴局部网格加密。
图5 反应器模型计算域划分。
图6 模拟工况信息。
图7 最佳工况流场信息。其中：
A、PBT搅拌桨桨槽径比0.6、转速90转/分的速度矢量场；
B、PBT搅拌桨转速110转/分气体体积分率等值面图；
C、PBT搅拌桨转速90转/分湍动能等值面；
D、PBT搅拌桨转速90转/分湍动能耗散率等值面图；
E、PBT搅拌桨转速90转/分平面剪切率等值面图；
F、PBT搅拌桨转速110转/分平面剪切率等值面图。
具体实施方式
以下结合附图和发明人依本发明的技术方案所完成的具体事例，对本发明作进一步的详细描述。
 依据本发明的技术方案，厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器优化设计步骤如下：
1、根据厌氧生物制氢反应器实际几何尺寸，并且选择一组不同类型搅拌桨，分别进行模型构建和网格划分，并进行边界条件选择和计算区域类型设置，导出网格文件。
2、将生成的网格文件分别导入到Ansys CFX12.0求解器中，选择相应的计算模型，确定一组不同的转速分别作为计算初值，并设置相应边界条件，进行稳态模拟的迭代计算，直到收敛，保存计算结果。
3、将计算结果进行可视化处理，得到不同类型搅拌桨和搅拌转速组合工况下的水力流场信息；通过工艺要求对模拟结果进行横向和纵向比较，得到最优搅拌桨类型和转速组合，实现对厌氧生物制氢反应器水力流场的设计优化。
实施例1：以下是发明人以有效容积为六升的厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器为例进行水力流场优化设计的过程。
1、前处理——几何建模、网格生成
按照厌氧生物制氢反应器的实际几何尺寸，选用如图2所示的PBT搅拌桨和RT搅拌桨两种搅拌桨类型，其中桨槽径比各取0.4、0.5和0.6三种类型，利用Aansys ICEM CFD 12.0 分别对配置三种桨槽径比的PBT搅拌桨和三种桨槽径比的RT搅拌桨的厌氧生物制氢反应器进行三维几何建模和网格生成，建模过程中忽略反应器内筒、三相分离挡板和溢流挡板的厚度，将其近似为薄表面结构。
在网格生成过程中采用如图3所示的非结构化四面体网格生成方法。并且采用如图4所示的局部网格加密技术对计算区域中的壁面附近网格点重新布置，以确保网格的质量。 
采用多重参考系法（MRF），把每个几何模型分为如图5所示的旋转域和固定域两部分，分别对应旋转参考系和固定参考系。旋转域包括搅拌桨和一部分搅拌桨轴，以及域边界以内的流体；厌氧生物制氢反应器其他部分（如挡板，桶壁等）以及与边界以外的流体作为固定域。域边界为位于z=60mm到z=80mm之间，直径为150mm的圆柱体表面。
对每个模型分别选择并命名边界类型，导出配置有PBT搅拌桨和RT搅拌桨的六个不同模型的Mesh网格文件，分别命名为PBT0.4-Mesh、PBT0.5-Mesh、PBT0.6-Mesh、PT0.4-Mesh、PT0.5-Mesh、PT0.6-Mesh。
2、计算求解——计算域划分、计算模型选择、初值设置与迭代求解
（1）、计算域划分
以配置PBT搅拌桨桨槽径比为0.4的模型为例，将PBT0.4-Mesh文件导入Aansys CFX12.0中，采用多重参考系法，将厌氧生物制氢反应器分为旋转域和固定域两部分，分别对应旋转参考系和固定参考系，域边界采用液-液界面，Frozen Rotor模型用于关联旋转域和固定域。
（2）、计算模型选择
选择模型基于以下假设：忽略活性污泥的沉降特性，以均匀分布在反应器中的12个点源以一定流量导入直径为1mm的球形气泡，模拟厌氧制氢发酵过程中产生的生物气；将反应器中的流体简化为气液两相流。建立欧拉—欧拉双流体模型模拟厌氧生物制氢反应器中气液两相流，建立湍流模型模拟搅拌流场，所述湍流模型采用标准湍动能——湍动能耗散率(
Figure 591792DEST_PATH_IMAGE027
-
Figure 874874DEST_PATH_IMAGE028
)模型（所选用方程具体见公式1~公式20）。
（3）、初值设置
混合液和生物气作为被模拟流体，密度（
Figure 524162DEST_PATH_IMAGE042
kg·m-3 ）和黏度（
Figure 35956DEST_PATH_IMAGE043
N·s·m-2）参数由实验测定得到。多相流浮力计算采用密度差分模型，浮力由不同相的密度差异计算得到，浮力计算以较轻流体（生物气）的密度为计算参考值。重力方向与旋转轴一致。
对底物泵入厌氧生物制氢反应器的入口设定为固定流量入口边界条件，边界紊流条件设定为低紊流强度，选择1%。处理后的混合液流出厌氧生物制氢反应器的出口设定为大气压条件下的静压出口边界条件。厌氧生物制氢反应器顶部的生物气出口边界设定为脱气边界条件。所有其他固体表面，包括搅拌桨叶片、搅拌轴、挡板和反应器壁均被设定为壁面边界条件，对于混合液是无滑移壁面，对于生物气是自由滑动壁面。
（4）、计算求解
连续流搅拌槽式生物制氢反应器模拟运行于一台配置 Intel Xeon 2.4 GHz 处理器和8GB内存的PC服务器。模拟占用内存较大，采用64位Windows操作系统支撑模拟运算。
采用同时具备精确性和有界性的高解析格式求解。时间步长设定为自动，均方根残差收敛标准为1.0E-4。气相和液相速度参数（U,V,W）模拟运算在220次叠代后实现收敛，湍动能参数（k-ε）在600次叠代实现收敛。一个模拟工况信息如图6所示，共计26小时。
按以上步骤，分别对两个配置不同类型搅拌桨的厌氧生物制氢反应器在不同桨槽径比（桨槽径比为0.4、0.5、0.6）和不同转速条件下（搅拌桨转速N从50转/分钟增加到130转/分钟，间隔为20转/分钟）的15个稳态工况进行模拟，直到收敛得到30组计算结果，并保存。
注：桨槽径比（D1∶D，其中D1为搅拌桨直径，D为反应器内桶直径）
    转速单位：转/分钟
三、后处理
利用CFX-post将计算结果进行可视化处理，得到两种类型搅拌桨在不同桨槽径比和不同搅拌转速组合工况下每个稳态模拟的速度场、气体体积分率、剪应力和湍动能等流场信息，根据各流场信息对厌氧生物制氢工艺的影响将模拟结果进行横向和纵向分析比较，获得如图7所示最优模拟工况信息，从而得到最优搅拌桨类型和转速组合。
本实施例中PBT搅拌桨、桨槽径比为0.6和搅拌转速为90-110转/分钟为该厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器最佳水力优化设计工况组合。

Claims (1)

1.一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法，其特征在于包括前处理——几何建模与网格生成；计算求解——计算域划分、计算模型选择、初值设置与迭代求解；后处理——流场信息获取与优化选择；具体步骤如下：
（一）、前处理——几何建模与网格生成
 利用Ansys ICEM CFD12.0按照厌氧生物制氢反应器的几何尺寸，对配置不同类型搅拌桨的厌氧生物制氢反应器进行三维几何建模和网格生成；其中：
 建模过程中将厌氧生物制氢反应器分为旋转域和固定域两部分分别建模；旋转域包括搅拌桨和一部分搅拌桨轴，以及旋转域边界以内的流体；厌氧生物制氢反应器其他部分以及旋转域边界以外的流体为固定域；
 网格生成采用非结构化四面体网格生成方法，并且采用局部网格加密对旋转域和固定域两个计算区域中壁面附近的网格点重新布置，为各模型选择并命名边界类型，导出配置不同类型搅拌桨的模型对应的网格文件；
(二)、计算求解——计算域划分、计算模型选择、初值设置与迭代求解
（1）、计算域划分
采用多重参考系法，将厌氧生物制氢反应器分为旋转域和固定域两部分，分别对应旋转参考系和固定参考系，域边界采用液-液界面，Frozen Rotor模型用于关联旋转域和固定域；
(2)、计算模型选择  
  建立欧拉—欧拉双流体模型模拟厌氧生物制氢反应器中气液两相流，建立湍流模型模拟搅拌流场，所述湍流模型采用标准湍动能——湍动能耗散率(                                                -
Figure 937986DEST_PATH_IMAGE002
)模型；
1)、模型控制方程
   对于气液两相流体系，各相的连续性方程如下：
                                                             （1）
Figure 574373DEST_PATH_IMAGE004
                                                               （2）
其中t为时间，
Figure 2012100769363100001DEST_PATH_IMAGE005
为密度，u为速度，是相含率，下标g和l分别代表气相和液相，相含率遵循如下约束条件：
Figure 2012100769363100001DEST_PATH_IMAGE007
                                                              （3）
    气液两相流中各相的动量输运方程如下：
Figure 959404DEST_PATH_IMAGE008
                （4）
Figure 2012100769363100001DEST_PATH_IMAGE009
                      （5）
其中p为压力，g为重力加速度，为有效粘度，
Figure 2012100769363100001DEST_PATH_IMAGE011
为界面作用力项；
2)、相间作用力方程
    所建模型中，产生的生物气与液相相界面的作用力被考虑在内，并且通过在动量方程中添加界面作用力项
Figure 11901DEST_PATH_IMAGE011
的方式来实现，具体见公式4和公式5；对于气—液两相流体系而言，相间界面作用力主要包括曳力、升力和湍流扩散力；
动量方程中气液界面作用力项
Figure 123076DEST_PATH_IMAGE011
关系表示为：
   
Figure 9124DEST_PATH_IMAGE012
                                                                     （6）
    作为分散相的气相作用于连续相的液相的曳力可以表示为：
Figure 2012100769363100001DEST_PATH_IMAGE013
                                                       （7）
其中
Figure 350981DEST_PATH_IMAGE014
为反应器内平均气泡直径，
Figure 2012100769363100001DEST_PATH_IMAGE015
是气液相间曳力系数，可由Ishii-Zuber曳力模型计算：
Figure 758698DEST_PATH_IMAGE016
                               （8）
其中
Figure 2012100769363100001DEST_PATH_IMAGE017
是气液混合雷诺数：
Figure 80089DEST_PATH_IMAGE018
                                                                   （9）
Figure 2012100769363100001DEST_PATH_IMAGE019
                                                                   （10）
Figure 522440DEST_PATH_IMAGE020
                                                                     （11）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE021
是Eorvos数：
Figure 536664DEST_PATH_IMAGE022
                                                                   （12）
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE023
是气液相间表面张力；
其中
Figure 431676DEST_PATH_IMAGE024
定义为：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
                                                             （13）
其中
Figure 992977DEST_PATH_IMAGE026
                                                             （14）
    垂直作用于气相运动方向的升力，由下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
                                                        （15）
其中
Figure 853616DEST_PATH_IMAGE028
是升力系数，其值为0.5；
虚拟质量力和湍流扩散力在气液两相流中影响很小，忽略不计；
3)、湍流封闭方程
模拟搅拌流场采用标准湍动能——湍动能耗散率(
Figure 537276DEST_PATH_IMAGE001
-
Figure 545684DEST_PATH_IMAGE002
)模型，方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
                                                     （16）
                                            （17）
其中
Figure 688138DEST_PATH_IMAGE001
为湍流脉动动能，m2/s2；
Figure 106481DEST_PATH_IMAGE002
为湍流耗散率，m2/s3；
其中液相湍流粘度
Figure DEST_PATH_IMAGE031
计算如下：
Figure 648190DEST_PATH_IMAGE032
                                                                     （18）
动能生成项
Figure DEST_PATH_IMAGE033
计算如下：
 
Figure 754555DEST_PATH_IMAGE034
                                       （19）
分散相的湍流粘度
Figure DEST_PATH_IMAGE035
计算如下：
Figure 760426DEST_PATH_IMAGE036
                                                                      （20）
标准
Figure 349670DEST_PATH_IMAGE001
-模型中常量取值为：=1.44，
Figure 39463DEST_PATH_IMAGE038
=1.92，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
=0.09，
Figure 899841DEST_PATH_IMAGE040
=1.0，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
=1.3；
（3）、初值设置
 对底物泵入厌氧生物制氢反应器的入口设定为固定流量入口边界条件，边界紊流条件设定为低紊流强度（0.5%~5%）；处理后的混合液流出反应器的出口设定为大气压条件下的静压出口边界条件；反应器顶部的生物气出口边界设定为脱气边界条件；所有其他固体表面，包括搅拌桨叶片、搅拌轴、挡板和反应器壁均被设定为壁面边界条件，对于混合液是无滑移壁面，对于生物气是自由滑动壁面；
(4)、迭代求解
 用ANSYS CFX12.0求解器，采用高解析格式求解，时间步长设定为自动，均方根残差收敛标准为1.0E-4，以气相和液相速度参数（U,V,W）和湍动能参数（-
Figure 504183DEST_PATH_IMAGE002
）作为残差收敛检测窗口，进行稳态迭代计算，直到收敛，保存结算结果；
(三)、后处理——流场信息获取与优化选择
 将计算结果进行可视化处理，得到不同类型搅拌桨和搅拌转速组合工况下每个稳态模拟的速度场、气体体积分率、剪应力和湍动能流场信息，根据各流场信息对厌氧生物制氢工艺的影响将模拟结果进行横向和纵向比较，得到最优搅拌桨类型和转速组合，实现厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计。
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Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104050330A (zh) * 2014-06-26 2014-09-17 中国科学院生态环境研究中心 升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法及其应用
CN104657595A (zh) * 2015-01-23 2015-05-27 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种单颗粒曳力模型系数标定方法
CN106709135A (zh) * 2016-11-15 2017-05-24 中国舰船研究设计中心 基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法
CN107066731A (zh) * 2017-04-13 2017-08-18 中南大学 根据数值模拟结果识别两相流中气体分布形态的方法
CN107335390A (zh) * 2017-08-30 2017-11-10 南京大学 微界面强化反应器相界面积构效调控模型建模方法
CN108491589A (zh) * 2018-03-05 2018-09-04 张家港氢云新能源研究院有限公司 一种车载供氢系统框架结构的设计方法
CN108504548A (zh) * 2018-04-03 2018-09-07 农业部规划设计研究院 一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法
CN108760585A (zh) * 2018-07-17 2018-11-06 南京林业大学 木质纤维颗粒在气固两相流场中与固体壁面发生碰撞时的运动分析计算方法
CN109970181A (zh) * 2019-01-10 2019-07-05 江苏新宜中澳环境技术有限公司 一种槽式曝气的气泡与切应力分布的研究方法
CN106933262B (zh) * 2015-12-29 2019-10-29 天津城建大学 一种在线压力信号解析的多相流场量测及气-液传质增效控制方法
CN110980641A (zh) * 2019-12-06 2020-04-10 大连海事大学 一种气液两相高效制氢的装置及方法
CN111524556A (zh) * 2020-03-31 2020-08-11 同济大学 一种基于数值模拟的uv-paa耦合反应器设计优化方法
CN112100944A (zh) * 2020-09-24 2020-12-18 华东交通大学 基于cfd模拟与piv测量的多尺度条件下厌氧消化流场可视化方法及应用
CN112417697A (zh) * 2020-11-25 2021-02-26 中国石油大学(北京) 混合原油配置方法及装置
CN112613252A (zh) * 2020-12-29 2021-04-06 大唐环境产业集团股份有限公司 一种吸收塔搅拌器的节能运行方法
CN112836444A (zh) * 2021-01-13 2021-05-25 中国科学院生态环境研究中心 基于cfd的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101872379A (zh) * 2010-06-30 2010-10-27 哈尔滨工业大学 升流式生物制氢反应器流场模拟方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101872379A (zh) * 2010-06-30 2010-10-27 哈尔滨工业大学 升流式生物制氢反应器流场模拟方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张冰: "典型废水厌氧处理反应器流场分析与优化研究", 《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 *
王博: "CSTR生物制氢反应器流场数值模拟", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 *
王旭: "EGSB生物制氢反应器流场数值模拟与优化", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104050330B (zh) * 2014-06-26 2018-07-10 中国科学院生态环境研究中心 升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法及其应用
CN104050330A (zh) * 2014-06-26 2014-09-17 中国科学院生态环境研究中心 升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法及其应用
CN104657595A (zh) * 2015-01-23 2015-05-27 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种单颗粒曳力模型系数标定方法
CN104657595B (zh) * 2015-01-23 2018-01-02 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种单颗粒曳力模型系数标定方法
CN106933262B (zh) * 2015-12-29 2019-10-29 天津城建大学 一种在线压力信号解析的多相流场量测及气-液传质增效控制方法
CN106709135A (zh) * 2016-11-15 2017-05-24 中国舰船研究设计中心 基于粘性兴波流场分析的三体船型片体布局优化设计方法
CN107066731A (zh) * 2017-04-13 2017-08-18 中南大学 根据数值模拟结果识别两相流中气体分布形态的方法
CN107066731B (zh) * 2017-04-13 2020-05-26 中南大学 根据数值模拟结果识别两相流中气体分布形态的方法
CN107335390B (zh) * 2017-08-30 2020-02-11 南京大学 微界面强化反应器相界面积构效调控模型建模方法
CN107335390A (zh) * 2017-08-30 2017-11-10 南京大学 微界面强化反应器相界面积构效调控模型建模方法
CN108491589B (zh) * 2018-03-05 2022-03-22 张家港氢云新能源研究院有限公司 一种车载供氢系统框架结构的设计方法
CN108491589A (zh) * 2018-03-05 2018-09-04 张家港氢云新能源研究院有限公司 一种车载供氢系统框架结构的设计方法
CN108504548A (zh) * 2018-04-03 2018-09-07 农业部规划设计研究院 一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法
CN108760585A (zh) * 2018-07-17 2018-11-06 南京林业大学 木质纤维颗粒在气固两相流场中与固体壁面发生碰撞时的运动分析计算方法
CN108760585B (zh) * 2018-07-17 2020-06-12 南京林业大学 木质纤维颗粒在气固两相流场中与固体壁面发生碰撞时的运动分析计算方法
CN109970181A (zh) * 2019-01-10 2019-07-05 江苏新宜中澳环境技术有限公司 一种槽式曝气的气泡与切应力分布的研究方法
CN110980641A (zh) * 2019-12-06 2020-04-10 大连海事大学 一种气液两相高效制氢的装置及方法
CN110980641B (zh) * 2019-12-06 2023-02-28 大连海事大学 一种气液两相高效制氢的装置及方法
CN111524556A (zh) * 2020-03-31 2020-08-11 同济大学 一种基于数值模拟的uv-paa耦合反应器设计优化方法
CN111524556B (zh) * 2020-03-31 2023-01-20 同济大学 一种基于数值模拟的uv-paa耦合反应器设计优化方法
CN112100944A (zh) * 2020-09-24 2020-12-18 华东交通大学 基于cfd模拟与piv测量的多尺度条件下厌氧消化流场可视化方法及应用
CN112100944B (zh) * 2020-09-24 2022-05-24 华东交通大学 基于cfd模拟与piv测量的多尺度条件下厌氧消化流场可视化方法及应用
CN112417697A (zh) * 2020-11-25 2021-02-26 中国石油大学(北京) 混合原油配置方法及装置
CN112613252A (zh) * 2020-12-29 2021-04-06 大唐环境产业集团股份有限公司 一种吸收塔搅拌器的节能运行方法
CN112613252B (zh) * 2020-12-29 2024-04-05 大唐环境产业集团股份有限公司 一种吸收塔搅拌器的节能运行方法
CN112836444A (zh) * 2021-01-13 2021-05-25 中国科学院生态环境研究中心 基于cfd的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法
CN112836444B (zh) * 2021-01-13 2024-04-05 中国科学院生态环境研究中心 基于cfd的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法

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