[发明专利]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

摘要

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。

主权项

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(-)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）（2）其中t为时间，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：（3）气液两相流中各相的动量输运方程如下：（4）（5）其中p为压力，g为重力加速度，为有效粘度，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关系表示为：（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）其中为反应器内平均气泡直径，是气液相间曳力系数，可由Ishii-Zuber曳力模型计算：（8）其中是气液混合雷诺数：（9）（10）（11）其中是Eorvos数：（12）其中是气液相间表面张力；其中定义为：（13）其中（14）垂直作用于气相运动方向的升力，由下式计算：（15）其中是升力系数，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(-)模型，方程如下：（16）（17）其中为湍流脉动动能，m²/s²；为湍流耗散率，m²/s³；其中液相湍流粘度计算如下：（18）动能生成项计算如下：（19）分散相的湍流粘度计算如下：（20）标准-模型中常量取值为：=1.44，=1.92，=0.09，=1.0，=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（-）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。