CN105893651B - 一种好氧堆肥模型建立及模拟方法 - Google Patents

一种好氧堆肥模型建立及模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种好氧堆肥模型建立及模拟方法，包括以下步骤：1)建立好氧堆肥模型；2)根据好氧堆肥反应过程中的“质量‑热量‑动量”耦合传递机理，对好氧堆肥模型进行假设，根据入口质量流量计算出入口流速，再利用无量纲雷洛数可判定流体运动状态为湍流；3)依据菲克定律和傅里叶定律以及κ‑ε湍流方程构建质量传递方程、热量传递方程和动量传递方程；4)确定好氧堆肥模型的边界条件；5)确定初始条件，并根据步骤1)～4)对具体模型对象在ANSYS平台进行几何建模及网格划分；6)在ANSYS FLUENT内利用CFD Post模块对好氧堆肥模型进行模拟计算，得到好氧堆肥模拟结果。本发明可描述好氧堆肥反应过程中温度、氧气浓度的空间分布的问题。

Description

一种好氧堆肥模型建立及模拟方法
技术领域
本发明涉及一种模型建立及模拟方法，特别是关于一种基于质量-热量-动量耦合传递的好氧堆肥模型建立及模拟方法。
背景技术
目前，好氧堆肥是利用厨房垃圾、畜禽粪便和农作物秸秆等固体废弃物进行微生物发酵，其过程主要通过微生物把有机物分解为简单的化合物，产生的热量可以杀死病原菌、寄生虫卵和杂草种子，最终获得稳定的腐殖质有机肥料的处理工艺。在好氧堆肥过程中，足够的氧气浓度保证好氧微生物的活动，降低厌氧发酵，一定的高温可以杀死堆肥中的有害菌以及虫卵等，所以对这两个参数的监测十分必要。
好氧堆肥过程数值模型多是均恒堆体的一级动力学模型或者是基于颗粒结构的好氧速率模型和微生物生长模型等。一级动力学模型或修正的Monod模型，这类模型属于经验或半经验模型，模型结构较为简单方便，模拟结果也较为精确，但针对不同物料或者不同工况需要对系数进行修正，广谱适应性不好；基于颗粒结构的离散型模型，这类模型依托于微生物作用机理，结合微观尺度与颗粒分布函数，属于机理模型，模型存在一定的适应性，但由于颗粒分布不同以及颗粒结构的不确定性，这类模型模拟精度较差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种好氧堆肥模型建立及模拟方法，其操作简单，实用性强。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种好氧堆肥模型建立及模拟方法，其特征在于：它包括以下步骤：1)建立好氧堆肥初始模型；选取好氧堆肥反应器为研究对象，好氧堆肥反应器中部为堆体，堆体上部和下部分别为空气；2)根据好氧堆肥反应过程中的“质量-热量-动量”耦合传递机理，将好氧堆肥反应器划分为好氧堆肥多孔介质域和空气域；假设好氧堆肥多孔介质域为一均匀多孔介质，假设热力学参数均为常数，质量等效扩散系数为常数；假设空气域为简单的流动空间，根据入口质量流量计算出入口流速，再利用无量纲雷洛数判定流体运动状态为湍流；3)依据菲克定律和傅里叶定律以及κ-ε湍流方程构建质量传递方程、热量传递方程和动量传递方程；4)确定好氧堆肥模型的边界条件；5)确定初始条件，并根据步骤1)～4)对具体模型对象在ANSYS平台进行几何建模及网格划分；6)在ANSYS FLUENT内利用CFD Post模块对好氧堆肥模型进行模拟计算，得到好氧堆肥模拟结果。
优选地，所述步骤3)中，基于好氧堆肥多孔介质域的“质量-热量-动量”耦合传递方程如下：1)氧气浓度质量传递方程，该方程主要考虑氧气组分的扩散、对流以及消耗：
式中，ρox为堆体内的氧气密度，单位为kg/m3，Cox为堆体内的氧气体积分数，单位为m3/m3；vx为x方向速度；vy为y方向速度；vz为z方向速度；Dair,c为氧气浓度的质量扩散系数，单位为m2/s；ε为孔隙率；为水解作用消耗的氧气；2)堆体热量传递方程：
式中，ρeff为堆体与空气等效密度，单位为kg/m3；ceff堆体与空气等效比热容，单位为J/[kg·K]；Tg为空气域温度，单位为K；T为堆体内的温度，单位为K；keff为等效热传导系数，单位为J/[m·s·K]；ST1为水解产热；ST2为微生物活动产热；3)好氧堆肥多孔介质内的动量传递方程，在纳维斯托克斯方程右边加入一个Si，表示由多孔介质引起的动量损失：
式中，Si为由多孔介质引起的动量损失；为速度，i分别代表x、y、z方向，单位为m/s；为重力加速度，单位为kg/m2；ρf为混合气体的密度，单位为kg/m3；为表面的切应力，其受本构方程影响；μ为粘度；α为渗透率；C2为惯性阻力系数；p为压强，单位为Pa；v为合速度，单位为m/s；vi为某一方向上速度，单位为m/s；4)基于氧气浓度质量传递方程、堆体热量传递方程和好氧堆肥多孔介质内的动量传递方程得到好氧堆肥多孔介质域的连续性方程：
优选地，所述步骤3)中，基于空气域的“质量-热量-动量”耦合传递方程如下：1)质量传递方程：
式中，Co为空气域的氧气体积分数，单位为m3/m3；ρo为氧气的密度，单位为kg/m3；2)热量传递方程：
式中，ρg为混合气体的密度，单位为kg/m3；cg为空气域气体比热容，单位为J/[kg·K]；kg为空气域气体热传导系数，单位为W/[m·K]；3)动量传递方程：
式中，为空气域混合气体流动速度，l为x、y、z三个方向，单位为m/s；4)基于质量传递方程、热量传递方程和动量传递方程得到空气域的连续性方程：
优选地，所述步骤4)中好氧堆肥模型边界条件如下：1)假设空气域和堆体分别与反应器壁面接触的边界条件均为绝缘绝热；
式中，S为温度、氧浓度及水汽含量，uj为对应的方向x，y，z的运动粘度，j＝x，y，z；2)假设堆体与空气域接触的边界为连续性边界，其边界条件为交界面处温度和质量分数通量为连续性；式中，i为物质，温度、氧气浓度及水分；n为交界面朝向的单位向量；为空气通量，为堆体通量。
优选地，所述步骤5)中初始条件为：氧气体积分数优选为0.23m3/m3，温度优选为293.15K。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用ANSYS FLUENT模拟计算有效缩短了研究周期，降低了研发成本。2、本发明建立的模型结构，设计科学合理，实用性强，对好氧堆肥过程管理提供一定的指导意义。3、本发明采用的基于“质量-热量-动量”耦合传递的好氧堆肥模型，可较好的模拟温度、氧气质量分数分层现象。
附图说明
图1是本发明整体流程示意图；
图2是本发明好氧堆肥反应器装置结构示意图；
图3为本发明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型20h中间截面温度分布示意图；
图4为本发明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型100h中间截面温度分布示意图；
图5为本发明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型20h中间截面氧气质量分数分布示意图；
图6为本发明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型100h中间截面氧气质量分数分布示意图；
图7是本发明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型内堆体中心点温度随时间变化的示意图；
图8是本发明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型内堆体中心点氧气浓度随时间变化的示意图；
图9是本发明ANSYS上好氧堆肥模型示意图；
图10是本发明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型网格划分示意图；
图11为本发明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型收敛残差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1～图8所示，本发明提供一种好氧堆肥模型建立及模拟方法，包括以下步骤：
1)建立好氧堆肥初始模型；
选取好氧堆肥反应器为研究对象，其中，好氧堆肥反应器主体为圆柱体，直径为450mm，高600mm，容积为100L，理论布气流量优选为7.45L/min，好氧堆肥反应器中部为堆体，堆体上部和下部分别为空气，如图2所示；
2)根据好氧堆肥反应过程中的“质量-热量-动量”耦合传递机理，将好氧堆肥反应器划分为好氧堆肥多孔介质域和空气域；假设好氧堆肥多孔介质域为一均匀多孔介质，多孔介质在堆肥过程不发生改变；假设热力学参数(如：热传导系数、比热容、密度等)均为常数，质量等效扩散系数为常数；假设空气域为简单的流动空间，根据入口质量流量计算出入口流速，再利用无量纲雷洛数可判定流体运动状态为湍流；
其中，雷洛数Re计算如下：
式中，v为速度，d为管径长度，ρ为密度，μ为粘度。
由于好氧堆肥反应过程是一个复杂的“质量-热量-动量”传递过程，这个传递过程是相互耦合，温度的变化会影响微生物的活动，微生物的活动消耗氧气，氧气的浓度反作用于微生物的活动速率，微生物活动与物质降解会产热，空气流动会带走热量，也为微生物活动和基质降解提供氧气；
3)依据菲克定律和傅里叶定律以及κ-ε湍流方程构建质量传递方程、热量传递方程和动量传递方程；
(1)基于好氧堆肥多孔介质域的“质量-热量-动量”耦合传递方程，好氧堆肥由好氧微生物活动推动的过程，依据菲克定律和傅里叶定律以及κ-ε湍流方程构建氧气浓度的质量传递方程、堆体热量传递方程和好氧堆肥多孔介质内的动量方程如下：
(1.1)氧气浓度质量传递方程，该方程主要考虑氧气组分的扩散、对流以及消耗：
式中，ρox为堆体内的氧气密度，单位为kg/m3，Cox为堆体内的氧气体积分数，单位为m3/m3；vx为x方向速度，单位为m/s；vy为y方向速度，单位为m/s；vz为z方向速度，单位为m/s；Dair,c为氧气浓度的质量扩散系数，单位为m2/s；ε为孔隙率；为水解作用消耗的氧气，的计算公式如下：
上式中，Ac为氧气消耗的指前因子，单位为m3/[kg·s]；ρc为堆体密度，单位为kg/m3；Ec为堆体的活化能，单位为J/mol；R为摩尔气体常数，单位为J/[K·mol]；T为堆体内的温度，单位为K。
(1.2)堆体热量传递方程：
式中，ρeff为堆体与空气等效密度，单位为kg/m3；ceff堆体与空气等效比热容，单位为J/[kg·K]；Tg为空气域温度，单位为K；T为堆体内的温度，单位为K；keff为等效热传导系数，单位为J/[m·s·K]；ST1为水解产热；ST2为微生物活动产热；
其中：
ρeffceff＝ερaircair+(1-ε)ρccc (5)
keff＝εkair+(1-ε)kc (6)
上述各式中，ρair为气体密度，单位为kg/m3；cair为气体比热容，单位为J/[kg·K]；ρc为堆体密度，单位为kg/m3；cc为堆体比热容，单位为J/[kg·K]；kair为空气的热传导系数，单位为W/[m·K]；kc为堆体热传导系数，单位为W/[m·K]；Qb为微生物活动的放热系数，单位为J/kg；ρb为微生物的密度，单位为kg/m3；E1为微生物生长的活化能，单位为J/mol；E2为抑制微生物生长的活化能，单位为J/mol；A1为微生物生长的指前因子，单位为1/s；A2为抑制微生物生长的指前因子；QC为堆体水解的放热系数，单位为J/kg；AC为堆体水解放热的指前因子，单位为m3/[kg·s]；EC为堆体水解的活化能，单位为J/mol。
(1.3)好氧堆肥多孔介质内的动量传递方程，由于计算域为多孔介质，在纳维斯托克斯方程(Navier-Stokes)右边加入一个Si，表示由多孔介质引起的动量损失：
式中，Si为由多孔介质引起的动量损失；为速度，i分别代表x、y、z方向，单位为m/s；为重力加速度，单位为kg/m2；ρf为混合气体的密度，单位为kg/m3；为表面的切应力，其受本构方程影响；μ为粘度；α为渗透率；C2为惯性阻力系数；p为压强，单位为Pa；v为合速度，单位为m/s；vi为某一方向上速度，单位为m/s。
根据欧根定理：
式中，为粘性阻力系数；Dp为颗粒粒径，单位为mm，颗粒粒径在2.5mm至2.71mm之间。
(1.4)基于氧气浓度质量传递方程、堆体热量传递方程和好氧堆肥多孔介质内的动量传递方程得到好氧堆肥多孔介质域的连续性方程：
(2)基于空气域的“质量-热量-动量”耦合传递方程：
(2.1)质量传递方程：
式中，Co为空气域的氧气体积分数，单位为m3/m3；ρo为氧气的密度，单位为kg/m3。
(2.2)热量传递方程：
式中，ρg为混合气体的密度，单位为kg/m3；cg为空气域气体比热容，单位为J/[kg·K]；kg为空气域气体热传导系数，单位为W/[m·K]。
(2.3)动量传递方程：
式中，为空气域混合气体流动速度，l为x、y、z三个方向，单位为m/s。
(2.4)基于质量传递方程、热量传递方程和动量传递方程得到空气域的连续性方程：
4)确定好氧堆肥模型的边界条件，堆体主要接触空气域和反应器壁面，入口空气域主要接触反应器壁面和入口以及堆体，出口空气域主要接触反应器壁面和出口以及堆体；
(1)假设空气域和堆体分别与反应器壁面接触的边界条件均为绝缘绝热；
式中，S为温度、氧浓度及水汽含量，j为对应的方向x，y，z。
(2)假设堆体与空气域接触的边界为连续性边界，其边界条件为交界面处温度和质量分数通量为连续性；
式中，i为物质，温度、氧气浓度及水分；n为交界面朝向的单位向量；为空气通量，为堆体通量。
5)确定初始条件，并根据步骤1)～4)对具体模型对象在ANSYS平台进行几何建模及网格划分；其中，初始条件为：氧气体积分数优选为0.23m3/m3，温度优选为293.15K；
6)在ANSYS FLUENT内利用CFD Post模块对好氧堆肥模型进行模拟计算，得到好氧堆肥模拟结果，如图3-图8所示。
实施例：以氧气体积分数0.23m3/m3、温度293.15K为初始条件，在ANSYS平台进行流场模拟：
1)几何建模：以实验室好氧堆肥反应器为研究对象，如图2所示，反应器主体为圆柱体，直径为450mm，高600mm，容积为100L。气体流入口直径为10mm，气体流出口直径为10mm。根据ANSYS workbench下的Geometry模块进行几何模型建立，如图9所示。设置空气域body和好氧堆肥多孔介质域body为一个part。
2)网格划分：ANSYS FLUENT流体分析的前处理的单元属性定义在ANSYSworkbench下的mesh模块，设置好氧堆肥多孔介质域设置为六面体网格，空气域为四面体网格，如图10所示。
3)求解器FLUENT设置，通常FLUENT模拟设置步骤如下：
a.读取3D mesh文件(File-Read-Case),并check和scale。
b.选取model,激活energy模块，viscous模块，species模块。
c.设置材料特性，Materials中mixture设置air mixture为vapor、oxygen和nitrogen。
d.设置边界条件，boundary conditions，入口边界inlet为mass flow inlet，mass flow rate为0.000160175kg/s；出口边界为pressure outlet，Gauge pressure为0，壁面边界为wall，设置为绝缘；接触边界为interior。
e.在define-User-defined-Functions-Compiled中设置UDF。
f.设置计算域，在cell zone condition中有compost、part_air_in、part_air_out三个部分，其中compost为多孔介质，需要激活porous zone和sources term。
g.设置压力求解器，进行瞬态计算。
其中，部分参数设置如表1所示。
表1
4)过程检测，检测残差，continuity、x-velocity、y-velocity、z-velocity、k、epsilon、vapor、oxygen残差小于0.001收敛，energy残差小于10-6为收敛，如图11所示。
综上所述，本发明利用CFD Post模块进行后处理，其瞬态模拟时间长度为170h。如图3、图4所示，截取中间面读取其在20h和100h时的温度分布结果，可发现其温度呈现分层状态且下层高于上层。如图5、图6所示，截取中间面读取其在20h和100h时的氧气质量分数分布结果，可发现其氧气质量分数呈现分层状态且下层高于上层。如图7所示，读取堆体中心点位置的温度随时间变化情况，其温度随时间递增。如图8所示，读取堆体中心点位置的氧气质量分数随时间变化情况，其温度随时间递减。从结果来看，基于“质量-热量-动量”耦合传递的好氧堆肥模型可较好的模拟温度、氧气质量分数分层现象，其中空气流动引起分层，氧气高对应的温度也高。由此可见，本发明能较好的描述好氧堆肥反应过程中温度、氧气浓度的空间分布及随时间变化，对好氧堆肥过程管理提供一定的指导意义。
上述各实施例仅用于说明本发明，各个步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种好氧堆肥模型建立及模拟方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1)建立好氧堆肥初始模型；
选取好氧堆肥反应器为研究对象，好氧堆肥反应器中部为堆体，堆体上部和下部分别为空气；
2)根据好氧堆肥反应过程中的“质量-热量-动量”耦合传递机理，将好氧堆肥反应器划分为好氧堆肥多孔介质域和空气域；假设好氧堆肥多孔介质域为一均匀多孔介质，假设热力学参数均为常数，质量等效扩散系数为常数；假设空气域为简单的流动空间，根据入口质量流量计算出入口流速，再利用无量纲雷洛数判定流体运动状态为湍流；
3)依据菲克定律和傅里叶定律以及κ-ε湍流方程构建质量传递方程、热量传递方程和动量传递方程；
基于好氧堆肥多孔介质域的“质量-热量-动量”耦合传递方程如下：
(1)氧气浓度质量传递方程，该方程主要考虑氧气组分的扩散、对流以及消耗：
式中，ρox为堆体内的氧气密度，单位为kg/m3，Cox为堆体内的氧气体积分数，单位为m3/m3；vx为x方向速度；vy为y方向速度；vz为z方向速度；Dair,c为氧气浓度的质量扩散系数，单位为m2/s；ε为孔隙率；为水解作用消耗的氧气；
(2)堆体热量传递方程：
式中，ρeff为堆体与空气等效密度，单位为kg/m3；ceff堆体与空气等效比热容，单位为J/[kg·K]；Tg为空气域温度，单位为K；T为堆体内的温度，单位为K；keff为等效热传导系数，单位为J/[m·s·K]；ST1为水解产热；ST2为微生物活动产热；
(3)好氧堆肥多孔介质内的动量传递方程，在纳维斯托克斯方程右边加入一个Si，表示由多孔介质引起的动量损失：
式中，Si为由多孔介质引起的动量损失；为速度，i分别代表x、y、z方向，单位为m/s；为重力加速度，单位为kg/m2；ρf为混合气体的密度，单位为kg/m3；为表面的切应力，其受本构方程影响；μ为粘度；α为渗透率；C2为惯性阻力系数；p为压强，单位为Pa；v为合速度，单位为m/s；vi为某一方向上速度，单位为m/s；
(4)基于氧气浓度质量传递方程、堆体热量传递方程和好氧堆肥多孔介质内的动量传递方程得到好氧堆肥多孔介质域的连续性方程：
基于空气域的“质量-热量-动量”耦合传递方程如下：
(1)质量传递方程：
式中，Co为空气域的氧气体积分数，单位为m3/m3；ρo为氧气的密度，单位为kg/m3；
(2)热量传递方程：
式中，ρg为混合气体的密度，单位为kg/m3；cg为空气域气体比热容，单位为J/[kg·K]；kg为空气域气体热传导系数，单位为W/[m·K]；
(3)动量传递方程：
式中，为空气域混合气体流动速度，l为x、y、z三个方向，单位为m/s；
(4)基于质量传递方程、热量传递方程和动量传递方程得到空气域的连续性方程：
4)确定好氧堆肥模型的边界条件；
5)确定初始条件，并根据步骤1)～4)对具体模型对象在ANSYS平台进行几何建模及网格划分；
6)在ANSYS FLUENT内利用CFD Post模块对好氧堆肥模型进行模拟计算，得到好氧堆肥模拟结果。
2.如权利要求1所述的一种好氧堆肥模型建立及模拟方法，其特征在于：所述步骤4)中好氧堆肥模型边界条件如下：
1)假设空气域和堆体分别与反应器壁面接触的边界条件均为绝缘绝热；
式中，S为温度、氧浓度及水汽含量，uj为对应的方向x，y，z的运动粘度，j＝x，y，z；
2)假设堆体与空气域接触的边界为连续性边界，其边界条件为交界面处温度和质量分数通量为连续性；
式中，i为物质，温度、氧气浓度及水分；n为交界面朝向的单位向量；为空气通量，为堆体通量。
3.如权利要求1所述的一种好氧堆肥模型建立及模拟方法，其特征在于：所述步骤5)中初始条件为：氧气体积分数优选为0.23m3/m3，温度优选为293.15K。
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