[发明专利]一种好氧堆肥模型建立及模拟方法

摘要

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。

主权项

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，ρ_ox为堆体内的氧气密度，单位为kg/m³，C_ox为堆体内的氧气体积分数，单位为m³/m³；v_x为x方向速度；v_y为y方向速度；v_z为z方向速度；D_air,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，S_i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；ρ_f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；v_i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。