基于攪拌設備的農業生物反應器內部流動分析

摘要：為了對側入式攪拌的農業生物反應器內的流動情況進行研究，采用計算流體力學方法，以某示范工程的主體農業生物反應器為對象，利用Ｆｌｕｅｎｔ軟件對在攪拌設備作用下的反應器內部流動進行數值分析，揭示其流動規律。結果表明，攪拌設備主要使反應器內的物料沿葉輪軸線方向向前運動；接近反應器底安裝的攪拌設備有助于防止池底固體顆粒沉積，可對反應器中介質進行均質處理。

關鍵詞：攪拌設備；農業生物反應器；內部流動

中圖分類號：Ｓ２１６．４文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）13－2743-03

Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｆｌｏｗ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ bａｓｅｄ ｏｎ Ｍｉｘｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

ＸＵ Ｗｅｉ－ｘｉｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｅｎｔｅｒｉｎｇ ｍｉｘｅｒ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ （ＣＦＤ）． Ｕｓｉｎｇ ａ ｍａｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｉｎ ａ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ａｓ ｔａｇｅｔ， ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ３－Ｄ ｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｍｉｘｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ waｓ ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｔｏ ｍｏｖｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ａｘｉｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ； Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗａｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｎｅａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｓｏ ｔｈａｔ ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｈｅｌｐ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｏｌｉｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： mｉｘｉｎｇ eｑｕｉｐｍｅｎｔ； aｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ bｉｏｒｅａｃｔｏｒ； iｎｔｅｒｎａｌ fｌｏｗ

我國農業生物質資源豐富，數量巨大，目前全國各省市主要農業生產廢棄物生物質資源可利用量約為５．６億ｔ。利用農業生物反應設備，使農業生產廢棄物轉化成生物質燃氣，大大提高了生物質資源的利用價值。在農業生物反應工程中，生化反應是依靠傳質而進行的，而傳質的產生必須通過基質與微生物之間的實際接觸。通常攪拌是最有效、最可行的手段。攪拌設備的作用就是將厭氧消化罐內料液混合均勻，消除厭氧消化罐內物料系統中溫度和濃度的差異，促進生化反應的進行［１，２］。因此，研究高效低能耗的焦油和廢水處理設備與技術，對加快農業生物反應工程大規模商業化應用具有重大意義。

攪拌設備［３］是一種攪拌和推流裝置，主要用于使介質均化、產生懸浮液流以及保持介質水平流動的一般工農業過程中，如污水處理中的平衡池、活性池、消毒池；工農業生產中的生物反應、管道煤氣脫硫、飲用水處理等。在上述各種過程中，葉輪的攪拌和推流起到重要的作用，不同類型或參數的葉輪所造成的攪拌和推流效果差別很大［４，５］。隨著計算機技術的發展，計算流體力學（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）技術以其速度快、經濟性好以及能提供全流場流動信息細節的優點在攪拌設備的開發和設計中受到重視。利用Ｆｌｕｅｎｔ軟件對攪拌設備作用下的農業生物反應器內部流動進行ＣＦＤ分析，旨在揭示反應器內部流動的規律，為提高生物反應效率提供基礎信息。

１反應器內部流動數值計算

以某示范工程的主體農業生物反應器為對象， 數值模擬采用三維不可壓雷諾平均Ｎ－Ｓ方程組，并以標準ｋ－ε湍流模型使方程組閉合。由于攪拌設備葉輪在反應器中工作時不停地旋轉，為此，我們采用運動坐標系，將葉輪設置為旋轉體。由質量守恒定律和進口無旋的假設，確定進口相對速度。進口壓力假設在進口截面上分布均勻。假定出口邊界處流動已充分發展，出口區域離開回流區較遠。固壁上滿足無滑移條件：u、v、w=0。流壁面采用壁面函數邊界條件。在接近固體壁面區，壁面迫使流動產生較大的速度梯度，適應于湍流充分發展的ｋ－ε湍流模型在此區域需進行修正。固壁壓力取第二類壓力邊界條件：＝０。控制方程使用有限體積法進行的離散，采用二階迎風格式。控制方程采取分離式求解器隱式方案進行求解，選用ＳＩＭＰＬＥＣ算法。

２反應器內部流動模擬結果及分析

２．１反應器內部流場分析

對攪拌設備作用下農業生物反應器內部流動進行數值計算［６－１０］，并用Ｆｌｕｅｎｔ自帶的后處理模塊進行顯示、分析。

如圖１所示，雖然內部流場的三維流速矢量分布比較混亂，但還是可以從立體空間的角度感受其流動的大致形態：在葉輪附近形成高速流動區，速度值較大，并且帶有較強的軸向分量，以中心較快速度向外做擴展運動。為了更清晰、準確地描述反應器內的流動情況，對內部流場進行沿軸向剖面分析，即截取空間流場的截面來更準確地分析內部流場的情況。圖２、３為按軸面方向剖分截面取兩個葉片后所得到的速度矢量分布和流線分布，從圖中能夠比較清楚地看出攪拌設備作用流場的速度分布情況。

從圖３中可以看出，葉輪出口外側有一定的旋向射流場，攪拌器葉輪在電機的驅動下旋轉攪拌液體產生旋向射流，利用沿著射流表面的剪切應力來進行混合，使流體以外的液體通過摩擦產生攪拌作用，在極度混合的同時，形成體積流，應用大體積流動模式得到受控流體的推流輸送。由于葉輪的轉動，使反應器內的物料產生兩個方向的運動，一個沿葉輪軸線方向向前運動，另一個沿葉輪圓周方向運動，這可以使反應器內的液體上下翻動，達到充分攪拌的目的。

為了更清楚地描述反應器內部流場的速度矢量，對沿攪拌設備推進方向的橫截面進行截取，截面位置選取在距離進口邊１ ｍ的位置，其速度矢量分布如圖４所示。從圖4中可以看出，在攪拌設備推進方向上的速度矢量是向四周發散的，這與軸面的流動情況一致，即匯聚成體積流后，再利用剪切力的作用使受控體積沿攪拌推進方向運動。從軸截面流線分布圖（圖５）中，不難發現該截面上的速度流線是按照空間上的類似圓形分布，等速度地向前攪拌推動液體，達到受控體積的流動和輸送。

２．２不同安裝深度對內部流場的影響

由于反應器內的安裝定位具有很大的靈活性，結合工程實際，就安裝深度ｈ＝１ ｍ和ｈ＝１.９ ｍ（即葉輪外徑距離反應器底０．１ ｍ）的兩種情況進行計算分析。

從圖６中可以看出，流場的基本形態和運動規律大致相同，不同之處在于，接近反應器底安裝的攪拌設備在反應器底面形成高速流動區，對池底進行射流沖刷，這將有助于防止池底固體顆粒沉積，可對反應器中介質進行均質處理。

３小結

為促進農業生物反應的進行，采用ＣＦＤ技術求解連續性方程、動量方程和能量方程，對生物反應器內由攪拌設備造成的內部流場進行數值研究。結果表明，由于葉輪的轉動，使反應器內的物料沿葉輪軸線方向向前運動和沿葉輪圓周方向運動，這可以使反應器內的液體上下翻動，達到充分攪拌的目的。接近反應器底安裝的潛水攪拌器有助于防止池底固體顆粒沉積，可對反應器中介質進行均質處理。

上述結果雖然揭示了部分在攪拌設備作用下的農業生物反應器內部流動情況，對提高反應效率起到了一定的作用，然而反應效率同時受到反應器內溫度分布、氣體釋放、傳質效果等因素的影響，具體還有待進一步的研究。

參考文獻：

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