CN112836444B - 基于cfd的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法 - Google Patents

基于cfd的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法 Download PDF

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Abstract

一种基于CFD的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法，包括对待优化干式厌氧沼气搅拌系统现状结构分析并获取核心特征结构，建立搅拌系统模型；将所述搅拌系统模型划分网格；对计算模型简化，设定边界条件后求解；若求解结果不满足优化目的，则修改搅拌系统模型的模型参数，直到求解结果满足优化目，此时的搅拌系统模型即为优化后的搅拌系统。本发明实现了干式厌氧沼气搅拌系统的快速优化设计，优化后的结构能减少沼气搅拌喷嘴周围的低速区，从而减少厌氧物料在此区域沉积，有利于有效反应容积的维持。

Description

基于CFD的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法
技术领域
本发明属于环境工程固体废弃物处置和资源化技术领域，特别涉及一种基于CFD的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法。
背景技术
干式厌氧发酵由于相较于湿式厌氧消化工艺具有处理负荷强，容积产气率高、节约用水量、产沼液量少或不排放沼液、后处理简单以及运行费用低等优点，在欧洲等国外经济发达市场越来越多被用于畜禽废弃物、厨余垃圾等有机固体废弃物的处理，近年来在中国干式厌氧发酵工艺也更多地被用于缓解资源化政策需求及生活垃圾等有机固废存在处理能力缺口的矛盾。
厌氧过程尤其是固体含量较高的干式厌氧发酵过程，对物料的搅拌是厌氧产气效率的关键因素，搅拌直接决定了物料分布的均匀度进而影响厌氧微生物与物料的接触并对生化过程造成影响，同时也对物料的传热、传质等产生正、负反馈。工程实践中发现，对比传统的机械搅拌，干式厌氧发酵更适宜采用气体搅拌的方式，用回流沼气增压后再输入干式厌氧发酵罐，使厌氧物料得到搅拌、扰动，解决了传统机械搅拌高耗能、磨损大、故障率高等问题。然而，目前的沼气搅拌系统结构设计尚有不足，沼气输送管出口喷嘴深入厌氧罐内部、突出罐底表面一定距离的设计，导致突出的管道周围物料不能很好被增加沼气吹起，造成物料在此区域表现出易堆积，长期运行后将缩小罐体有效容积；对于堆积物料的清理维护，也因罐底密布突出表面的尖头喷嘴而不能采用机械车需采用人工进行清罐，大大延长了清罐维护时间，导致工程停机过长，不利于稳定运行和调试启动。因此，有必要针对干式厌氧的沼气搅拌系统进行优化。
计算流体力学(CFD)是将流体流动传热传质与计算机数值计算结合在一起形成的一门新兴学科，它的主要作用是对流场进行数值模拟计算，进而得到整个流场信息。应用CFD，不但基础成本低，而且获得的信息量大同时可以节约大量的试验经费，因而其被广泛的应用到各个领域。近年来，随着计算流体动力学的高速发展，CFD模拟仿真技术已经开始运用到反应器的流场分析及反应器的优化设计的工作之中，并有效地完成了对污泥等不透明流体的流场可视化分析，极大提高了反应器流场研究的效率以及数据分析的全面性。目前，国内外针对干式厌氧过程的反应器流场模拟研究较少，基于CFD对封闭黑箱反应流场可视化的强大优势，可采用合理简化，通过数值模拟及数据分析，实现对结构设计的快速优化。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于CFD的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于CFD的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法，包括：
(1)对待优化干式厌氧沼气搅拌系统现状结构分析并获取核心特征结构，建立搅拌系统模型；
(2)将所述搅拌系统模型划分网格；
(3)对计算模型简化，设定边界条件后求解；
(4)若求解结果不满足优化目的，则修改搅拌系统模型的模型参数，直到求解结果满足优化目，此时的搅拌系统模型即为优化后的搅拌系统。
基于上述技术方案可知，本发明的基于CFD的干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
(1)通过对结构特征的分析，采用对称分析法、降维简化法、突出局部特征法，大大减少几何建模和网格划分的工作，实现快速设计；
(2)采用欧拉单相流或欧拉气液两相流、气固两相流替换气、液、固三相流，大幅降低计算的复杂度，实现快速计算；
(3)对于工程放大和现有工程优化，采用计算流体力学可大幅降低用于实践的小试-中试-工程的建造成本，减少大量时间成本，和实验探索成本，实现优化结果快速可视化，有助于干式厌氧沼气工程的进一步优化；
(4)实现了干式厌氧沼气搅拌系统的快速优化设计，优化后的结构能减少沼气搅拌喷嘴周围的低速区，从而减少厌氧物料在此区域沉积，有利于有效反应容积的维持；
(5)优化后的沼气搅拌系统气体喷嘴管不在突出于罐体内部地面，在干式厌氧长期运行后，采用机械车清洁罐底淤泥代替原始人工清淤成为了可能，提高清淤效率，清淤时间从30多天减少为几天，大大缩短停机维护时间，有利于干式厌氧稳定工况的维持。
附图说明
图1为本发明快速优化方法流程图；
图2为干式厌氧沼气搅拌系统关键部件结构示意图；
图3为本发明快速优化方法过程图；
图4A为本发明实施例中原构型方案；
图4B为本发明实施例中优化构型方案示意图；
图5A至图5C为本发明实施例中三种构型单相流模拟速度分布云图；
图6A为本发明实施例中优化构型设计在喷嘴倾角50°的单相流模拟速度分布云图；
图6B为本发明实施例中优化构型设计在喷嘴倾角50°的单相流模拟速度矢量图；
图7为本发明实施例中优化构型设计的气-液两相流模拟速度矢量数据图。
附图标记说明：
1-倾斜喷管；2-数值喷管；3-反应罐底面；4-倾斜喷管出口截面；5-反应罐内部与喷管形成凹槽；6-喷嘴渐缩段；7-原构型喷管与罐底面形成低速区夹角；8-优化构型I凹槽与喷管形成低速区域。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明的干式厌氧沼气搅拌系统的快速优化方法，具体涉及城市生活垃圾、厨余、污泥、畜禽粪便等进行高含固和干式厌氧发酵资源化处理过程中采用气体搅拌设计的优化方法。所述快速优化方法是基于计算流体力学，通过对结构的特征剖析，在几何建模过程中采用降维简化和局部建模相结合，并在模型选择中考虑主相作用为重点，简化多相流模型，通过多重简化，大大节省计算模拟的时间，快速获取优化构型和原构型的流场信息，结果的可视化处理和综合比选，从而获得同时满足延长干式厌氧工程运行维护间隔时间和缩短维护时的清淤时间的沼气搅拌的气体喷嘴设计，为干式厌氧沼气搅拌系统的优化设计提供了一种经济、高效的方法。本发明技术方法成熟稳定，并节约了工艺设计从中试到工程放大的实体建造成本，具有快速、经济、高效的突出特点。
本发明公开了一种干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法，包括：
(1)对待优化干式厌氧沼气搅拌系统现状结构分析并获取核心特征结构，建立搅拌系统模型；
(2)将所述搅拌系统模型划分网格；
(3)对计算模型简化，设定边界条件后求解；
(4)若求解结果不满足优化目的，则修改搅拌系统模型的模型参数，直到求解结果满足优化目，此时的搅拌系统模型即为优化后的搅拌系统。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中建立所述搅拌系统模型时将三维结构降维成二维模型。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述核心特征结构包括喷嘴相关构型。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中划分所述网格采用非结构化四面体网格生成方法。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中对所述核心特征结构进行局部网格加密处理；同时根据计算精度需求，划分多个网格尺寸不同的计算网格，进行网格无关化比较，选择流场稳定条件下的最少网格数的网格作为下一步的计算基础。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述简化方法包将气、液、固三相计算模型简化为两相计算模型或单相计算模型。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述计算模型包括用于模拟气、液两相流运动规律的欧拉-欧拉两相流模型和湍流模型。
在本发明的一些实施例中，所述欧拉-欧拉两相流模型在只考察速度场的分布信息时，简化为单相流模型。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述求解步骤中包括对求解结果可视化处理。
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中所述求解结果包括搅拌系统模型结构的多种流场信息。
在一个示例性实施例中，本发明的干式厌氧沼气搅拌系统的快速优化方法，包括如下步骤：
(1)对待优化干式厌氧沼气搅拌系统现状结构分析，以实施效果或目的剖析结构、提取核心结构特征；
其中，干式厌氧沼气搅拌系统涉及气、液、固相三相，或气液两相、液固两相，涉及依据现有的几何结构，采用对称分析、降维简化方法，根据实施目的和优化效果，提取核心问题，进行单一化精准剖析。
(2)快速数字模型化与计算求解，按照核心结构特征简化的要求建模并划分网格，选用适用的简化模型求解；
(3)结果分析——比对流场信息，优选结构。
其中，快速数字模型化与计算求解包括如下步骤：快速前处理——局部特征几何建模及快速网格划分；快速计算求解——简化计算模型的选择、边界条件的设定与求解；后处理——流场信息获取，具体步骤如下：
1)快速前处理
(i)反应器局部特征几何建模
其中，步骤(1)，单一化精准剖析解读反应器几何结构，采用建模软件(ANSYS18.0SpaceClaim、SolidWorks等)仅对反应器的所需优化的特征结构进行几何建模，中心/轴对称结构构建二维几何模型，降低模型复杂程度，节约后续网格划分、计算求解所耗费资源；
(ii)快速网格划分
采用ANSYS前处理软件将上述几何进行网格划分，采用非结构化网格和局部加密法实现网格的快速生成，同时确保网格质量和必要的计算精度，导出目标几何的网格mesh文件；
2)快速求解计算
(i)求解模型的选择与简化
所述的一种干式厌氧沼气搅拌系统，通常涉及沼气对液相和固相的扰动，模型的选择包含气、液、固三相，其中液相为主相，气、固归为第二相、第三相，所述简化模型是将气、液、固三相简化为气、液两相，液、固处理为拟流体，固相特征在液相中体现；
将mesh文件导入ANSYS FLUENT 18.0软件，定义计算模型：由采用欧拉多相流模型模拟干式厌氧沼气搅拌系统的气、液、固三相流简化为欧拉-欧拉两相流模型模拟气、液两相流运动规律，采用标准的湍动能耗散率(k-ε)模型描述湍动黏度μt，建立湍流模型；气、液两相的运动由对应的质量守恒方程和动量守恒方程控制；
所述控制方程如下：
顾量守恒方程即连续性方程：
气、液相动量守恒方程为：
假设气、液相间作用力较弱，不考虑相间作用力。
进一步，如无需观测气、液相交界面变化及作用力，可简化为单相流模型，液相为主相，气相的扰动特征由动能输入即入口速度来体现。
(ii)边界条件设定与计算求解
在模型数值计算中，设定相关参数，气液两相模型中将底部沼气入口作为气体入口，以固定速度为入口边界条件，顶部采用degassing(脱气)作为出口边界条件，其余作为wall(壁面)，设置无滑移壁面边界条件，且所有壁面采用不可渗透壁面处理。
利用FLUENT求解器，动量、湍动能耗散采用二阶迎风格式，均方根残差收敛标准判据为1.0E-3，进行稳态迭代计算，选取迭代10000步后的稳定流场结果进行保存。
3)后处理
将上述计算结果保存后，利用后处理软件进行可视化处理，获取不同结构的流场信息。
其中，通过可视化流场信息，观察对比不同结构的流态数据，采用直观分析、选取特征点对比分析各项数值，通过比选确定优化设计方案。
其中，在干式厌氧沼气搅拌优化设计的应用。
其中，进一步，在干式厌氧沼气搅拌系统中通过加热搅拌的沼气实现冬季中温/高温厌氧发酵中的应用。
所述的一种干式厌氧沼气搅拌系统的快速优化设计方法在干式厌氧沼气搅拌系统中通过加热搅拌的沼气实现冬季中温/高温厌氧发酵中的应用，采用该快速优化设计方法，通过能量方程及输运方程，实现入口沼气温度的模拟以及内部温度场的数值模拟。
其中，沼气加热的温度范围在45℃～85℃。
本发明的目的之一在于提供一种干式厌氧沼气搅拌系统的快速优化设计方法，以经济、快速实现减少干式厌氧工程长期运行过程厌氧罐底部物料的堆积或底部堆积区快速清淤的目的，大大缩短工程停机维护的时间。
本发明的目的之二在于沼气搅拌系统中采用热源沼气的方式替代进料加热，并利用目的一的优化方法，实现温度分布的快速模拟。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
请参阅图1-7，本发明提出的干式厌氧沼气搅拌系统的快速优化方法，是基于计算流体力学的数值模拟软件与结果，对比研究不同结构的沼气搅拌系统流场特征，优化后的设计同步实现干式厌氧罐沼气搅拌系统喷嘴周边物料沉积量的减少，以延长干式厌氧维护的周期间隔，同时缩短厌氧工程长期运行后的停机清淤维护时间。分析沼气搅拌系统结构构型，针对核心部件——沼气搅拌喷嘴的结构如图2所示，根据快速优化流程(图3)各步骤方法，顺序开展将几何建模时三维结构降维至二维，获得原构型和优化构型的二维建模图(图4A和图4B)，并采用欧拉多相流模型或单相流模型获得主相在不同结构构型中的速度分布流场信息(图5A-图7)，结合减少沉降物料量和缩短清淤时间的需求进行综合分析，从而获得优化的沼气搅拌系统。在对沼气进行能量(内能，包括加热、热辐射、热传导)输入的基础上，模拟温度场的变化。本发明提出的方法基于一套操作逻辑。快速优化的关键步骤的通过逻辑的执行与判断来实施。
1.现状结构分析，以实施效果或目的剖析结构、提取核心问题
针对干式厌氧沼气搅拌系统，采用对称法进行结构分析，主要包括储气罐、连通沼气气体管、沼气气体管与厌氧罐底部相连接、阀门等。所述沼气气体管为插入厌氧罐底部，并突出厌氧罐底部内部面一段长度，且气体管罐底内部面的夹角为60～90度，气体管横截面为圆形，夹角为90度的气体管出口处做渐缩处理，夹角60度的气体管喷嘴出口截面垂直于地平面，经分析，喷嘴直插入厌氧罐内部，直接影响气体出口的状态(速度、方向等)，因此喷嘴相关构型为沼气搅拌的核心部件。
2.快速数字模型化与计算求解，按照特征几何简化的要求建模并划分网格，选用适用的简化模型求解
(1)几何建模和网格划分
通过结构剖析，利用计算流体力学的几何建模软件，快速选取喷嘴的中心截面构建二维几何模型，取气体管直径的50～100倍长度作为计算域边界，忽略整体厌氧罐的特征，重点突出局部特征，可大大节省计算资源和计算时间；采用非结构化四面体网格生成方法生成网格，对环喷嘴区域进行局部网格加密处理，确保计算精度和网格质量；同时可根据计算精度需求，划分多个网格尺寸不同的计算网格，进行网格无关化比较，选择流场稳定条件下的最少网格数的网格作为下一步的计算基础。
(2)模型选择
沼气搅拌系统涉及气体(沼气)、液体(厌氧消化液)、固体(颗粒物)三相，采用欧拉-欧拉多相模型可实现模拟计算；实际过程中固体液体相混合，因此可将固体和液体混合相视为一种流体，也就简化为气-液两相流；甚至，在只考察速度场的分布信息时，无需对气体和液体进行相区分，可进一步简化为单相流模型。
在温度场的模拟中涉及相间热传导，即气相到液相的热传导，由于相间传导系数不同，不可简化为单一流体。
在欧拉多相流模型中，二维计算域内求解得到各相控制方程。
所述控制方程，包括1)各相的质量守恒方程(连续性方程)：
2)气、液相动量守恒方程为：
假设气相为不可压缩流体。气-液相间作用力——曳力较小，可忽略。
湍流模型的选择方面采用标准k-ε模型来描述湍动过程。由于湍流过程的精确模拟非常复杂，因此需考虑特征流态，尽可能减少次相流体对主相流体的影响。
(3)边界条件
在单相流或两相流计算过程中，入口流体设置为固定速度边界条件，边界为5％紊流强度。出口设置为上方，出口设定为大气压下的压力出口，两相流时为脱气出口；喷嘴和管内接触表面设置为内部面，其余管壁、计算域边界等均设置为壁面，且对液体为无滑移壁面，不渗漏壁面。
温度场计算所涉及不同材料间的导热系数，根据傅里叶定律获得；加压下混合气体(沼气)的导热系数采用加压下纯气体的导热系数公式计算，此时采用混合气体的虚拟临界常数，其他分子量、气体密度等均采用混合气体的数值。
所述混合气体(沼气)是指甲烷含量60％和二氧化碳含量40％的混合气体。
(4)计算求解
利用FLUENT求解器，动量、湍动能耗散采用二阶迎风格式，均方根残差收敛标准判据为1.0E-3，进行稳态迭代计算，选取迭代10000步后的稳定流场结果进行保存。
3.结果分析——比对流场信息，优选结构。
通过计算软件进行可视化处理分析，得到不同结构构型下的液相速度场、气相分率、气相速度场等详细流场信息，对比优化构型和原构型的流场数据，综合比选后获得优化的结构设计。根据温度场分布，获得入口气体的温度范围。最终实现干式厌氧沼气搅拌系统的优化设计。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种干式厌氧沼气搅拌系统的优化方法，包括：
(1)对待优化干式厌氧沼气搅拌系统现状结构分析并获取核心特征结构，建立搅拌系统模型；
(2)将所述搅拌系统模型划分网格；
(3)对计算模型简化，设定边界条件后求解；
(4)若求解结果不满足优化目的，则修改搅拌系统模型的模型参数，直到求解结果满足优化目的，此时的搅拌系统模型即为优化后的搅拌系统；
其中，步骤(2)中对所述核心特征结构进行局部网格加密处理；同时根据计算精度需求，划分多个网格尺寸不同的计算网格；
其中，步骤(3)中的所述对计算模型进行简化包括：将气、液、固三相简化为气、液两相，液、固处理为拟流体，固相特征在液相中体现，其中，在模型数值计算中，设定相关参数，气液两相模型中将底部沼气入口作为气体入口，以固定速度为入口边界条件，顶部采用脱气作为出口边界条件，其余作为壁面，设置无滑移壁面边界条件，且所有壁面采用不可渗透壁面处理，其中，动量、湍动能耗散采用二阶迎风格式。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(1)中建立所述搅拌系统模型时将三维结构降维成二维模型。
3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(1)中所述核心特征结构包括喷嘴相关构型。
4.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(2)中划分所述网格采用非结构化四面体网格生成方法。
5.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(2)中对所述计算网格进行网格无关化比较，选择流场稳定条件下的最少网格数的网格作为下一步的计算基础。
6.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(3)中所述简化方法包将气、液、固三相计算模型简化为单相计算模型。
7.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(3)中所述计算模型包括用于模拟气、液两相流运动规律的欧拉-欧拉两相流模型和湍流模型。
8.根据权利要求7所述的优化方法，其特征在于，
所述欧拉-欧拉两相流模型在只考察速度场的分布信息时，简化为单相流模型。
9.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(3)中所述求解步骤中包括对求解结果可视化处理。
10.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(4)中所述求解结果包括搅拌系统模型结构的多种流场信息。
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