[发明专利]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

说明书

本发明属于环境工程技术领域，涉及不同含固率厌氧消化系统的可视化，尤其涉及一种基于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，利用CFD对厌氧消化的流场进行模拟，然后选取与厌氧消化沼液流变特性相似的透明流体模拟工作流体并利用PIV进行测量，所得测量结果与CFD的模拟结果进行验证；分析验证结果，对CFD模拟中相应的网格尺寸、湍流模型、数值算法进行调整，直至两者达到吻合。本发明操作步骤简洁，有助于指导反应器的设计及运行，减少多尺度条件下厌氧消化反应系统内的死区、提高搅拌效率并进一步增加反应器的处理能力。本发明的应用可提高厌氧消化流场的运行性能、运行稳定性以及经济性，并在实际工程中起到指导作用。

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及不同含固率厌氧消化系统的可视化，尤其涉及一种基于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。

背景技术

厌氧消化不仅能有效处理有机废弃物，还可以回收利用绿色清洁能源。然而，高固厌氧所消化（10%～20%）的沼液是粘稠的非牛顿流体，具有剪切稀化、触变性、粘弹性等复杂的流变特征；导致高固厌氧消化系统难以得到充分搅拌，流场中存在较大范围的短流、死区、停滞区域等，从而引起抑制性中间产物（如挥发性有机酸和氨氮）的累积，大大降低了高固厌氧消化的运行效率。此外，对于低含固率条件下（0.1%～10%）厌氧消化系统中传质、传热差也是厌氧消化反应效率低的原因之一。因此，厌氧消化流场的可视化有助于减少反应器的死区、强化系统的流动性，进而提升厌氧消化系统的运行性能和运行稳定性。

目前，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）可以用来预测流体的流动、传热、传质等现象，实现目标流场的可视化。CFD技术结合流体力学、数值计算和计算机科学技术，已运用于反应器内部流场的模拟之中。有研究基于污泥的流变学特性，在三维的 CFD 模型中利用层流模型模拟分析了厌氧消化反应器的搅拌性能，提出了用于评价反应器搅拌性能的均匀度指数相关方法。然而，现有研究中CFD对厌氧消化系统流场的模拟尚缺乏验证方法，即对应模拟结果的准确性难以得到有效的确认，模拟准确性难以信赖。

近年来发展的粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry，PIV）能够实现空间速度场中全流速场无接触的实时测量，展现丰富的瞬时流速场信息。PIV技术曾用于废水在内循环厌氧消化（Internal Circulation Anaerobic Digestion, ICAD）的流场特性，以及沼气气泡在不同工况下废水厌氧消化中的特性。PIV多用于废水厌氧消化，但是对高固厌氧消化流场的检测极其受限，主要原因为PIV要求检测对象为透明流体，而高固厌氧消化沼液为灰黑色不透明流体。此外，PIV系统由于其技术特性，目前只限于实验室规模，无法应用于实际工程流场中的检测。

发明内容

鉴于CFD技术缺乏验证手段模拟结果准确性难以信赖以及PIV技术仅能运用于实验室规模的缺陷，本发明公开一种基于CFD模拟与PIV测量的厌氧消化流场的多尺度条件下厌氧消化流场，可实现不同含固率不同尺度条件下厌氧消化流场的准确、快速可视化。

技术方案

一种基于CFD模拟与PIV测量的厌氧消化流场的多尺度条件下厌氧消化流场可视化方法，利用CFD对厌氧消化的流场进行模拟，然后选取与不同含固率厌氧消化沼液流变特性相似的透明流体作为模拟工作流体并利用PIV进行测量，所得测量结果与CFD的模拟结果进行验证；分析验证结果，对CFD模拟中相应的网格尺寸、湍流模型、数值算法进行调整，直至两者达到吻合。

本发明较优公开例中，所述厌氧消化的流场含固率为0.1～20%。

本发明较优公开例中，所述利用CFD对厌氧消化的流场进行模拟，包括如下步骤：