厭氧發酵反應器內溫度場的數值模擬

杜 越，劉建禹，王尚坤，朱坤展，賀佳貝

(東北農業大學 工程學院， 哈爾濱 150030)

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厭氧發酵反應器內溫度場的數值模擬

杜 越，劉建禹，王尚坤，朱坤展，賀佳貝

(東北農業大學 工程學院， 哈爾濱 150030)

厭氧發酵反應器是沼氣發酵工程的重要裝置，由于其內部反應十分復雜，因此發酵反應器內的局部流動和傳熱過程的研究一直是一個頗具研究價值的問題。掌握反應器內的溫度分布是厭氧發酵過程控制工藝優化的基礎，對反應器的溫度控制起著至關重要的作用。為此，采用CFD(計算流體力學)的數值模擬方法對發酵料液內的溫度場、速度場進行模擬，分析了反應器內料液的流動和換熱情況。由于發酵料液的流動速度非常微小，基本可以忽略不計，因此反應器內部料液與反應器側壁和地面之間熱量傳遞方式以導熱為主，可以忽略對流換熱作用。由此為今后進一步研究提供理論依據。

沼氣；發酵反應器；溫度場；CFD

0 引言

面對日益嚴重的能源危機問題，新能源的開發、轉化和利用等科學技術的發展將對世界能源的可持續發展起到重要作用。可再生能源能為人類的生存與發展提供巨大的能量，足夠人類長遠利用，是人類社會未來能源的基石[1]。根據全世界可持續發展戰略的要求，生物質能源的研究與開發已成為當今世界的熱點問題。其中，厭氧發酵制取沼氣的生產工藝和技術研究受到越來越廣泛的關注。在沼氣的生產過程中，溫度是影響厭氧發酵的關鍵因素之一，如果要使沼氣工程常年穩定運行，保持恒定、高效的產氣量，就必須對厭氧發酵料液的溫度進行嚴格控制，使發酵溫度不隨環境溫度變化[2]。因此，在北方寒冷地區，由于受到季節和地域的限制，研究如何有效控制厭氧反應器的能耗，是沼氣工程發展必須解決的問題。

厭氧發酵反應器內的料液是復雜的固、液混合物，屬于假塑性非牛頓流體[3]。同時，在厭氧發酵過程中沼氣的產生，導致反應器內的料液呈現出氣、液、固多相共存的復雜狀態，利用實驗手段很難獲取影響反應器內料液傳熱特性的相關參數。近年來，應用數值CFD模擬來進行傳熱機理的研究是一種可靠精準的新方法[4]。CFD是計算流體力學(ComputationalFluidDynamics)的簡寫，其基本的定義是通過計算機進行數值計算和圖像顯示，分析包含流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統[5]。CFD數值模擬能夠提供發酵反應器內的局部流動和溫度場、速度場等，具有較好的應用前景[6]。

1 數學模型的建立

實際的發酵反應器內的料液流動情況十分復雜，為了便于計算，忽略影響非常小的因素，做了一定的合理簡化[7]，主要研究對溫度影響比較大的因素。對厭氧發酵反應器的簡化基于以下假設：

1)發酵反應器上部作為絕熱處理。

2)發酵反應器壁除了與加熱盤管接觸的部分，其余作為絕熱處理。

3)由于料液在不同溫度下物性參數變化較小，可視為常物性；密度隨壓強變化很小，可視為不可壓縮流體。

4)滿足Boussinesq假設[8]，也就是忽略不計流體中的粘性耗散。

基于以上假設，在無攪拌的情況下，模型可簡化為非穩態自然對流傳熱模型。自然對流傳熱規律用以下方程描述[9]：

連續性方程為

(1)

動量方程為

(2)

(3)

能量方程為

(4)

設定初始條件：開始時，反應器內的料液經過一段時間的靜置，溫度已經與室溫20℃達到平衡，因此取初始溫度T=293K，初始速度u=v=0。

設定邊界條件：側壁加熱溫度T=323K，頂面和底面溫度T=293K。

計算過程中所需要的發酵物料的熱物性參數如表1所示。

表1 發酵物料的熱物性參數

利用FLUENT解決問題的基本步驟為：

1)將實際問題簡化和抽象成計算模型并據此建立實體模型；

2)一般在Gambit里面建立模型，并生成網格后導入FLUENT里面進行解算；

3)建立基本方程和設定適合的初始條件和邊界條件，輸入研究材料的物性參數；

4)設置壓力壓強等參數，控制計算變量，初始化速度場及溫度場，進行計算；

5)后處理分析，根據計算結果分析。

下面將按上述步驟建立厭氧發酵反應器的溫度場和速度場計算模型并求解，求解區域如圖1所示。

2 計算與結果分析

用Fluent6.3軟件對上述模型進行模擬求解，計算中采用Hex與Cooper結合的方式劃分網格，Fluent中設定穩態隱式有限容積SIMPLE算法，計算精度選單精度格式。

SIMPLE算法的求解步驟：

1)確定研究對象的物性參數、松弛比，對計算區域進行網格劃分；

2)選取適當的迭代初始值；

3)利用初始值求解沿X、R方向的運動方程，得到新的近似值u’、v’；

4)對壓力修正值方程進行求解，得到p’；

5)如果求得的u’、v’、p’不滿足收斂條件，則反復迭代以求得更好的近似值；如果滿足收斂條件，則所求解為u、v、p。

考慮到發酵料液的粘度較高，在接近反應器壁的區域采用網格加密畫法。網格劃分如圖2所示。

圖1 求解區域示意圖

圖2 求解區域Gambit網格劃分示意圖

由于發酵反應進行較慢，選擇加熱時間分別為1、5、10h，通過計算結果分析厭氧發酵反應器內料液流動情況和溫度分布情況。

圖3為經過1h后發酵反應器中沿直徑豎截面的溫度分布情況。從溫度場的分布可以看出：只有反應器外壁附近的溫度變化較明顯，內部基本沒有變化。圖4為上中下3個橫截面的溫度分布情況，上下兩個截面溫度較低，中間截面溫度較高。圖5為1h后裝置中發酵料液中央橫截面溫度分布圖，同樣是反應器外壁附近的溫度變化較明顯。圖6為經過5h后反應器中沿直徑豎截面的溫度分布情況，與1h相比并無明顯變化。圖7為經過10h后發酵反應器中沿直徑豎截面的溫度分布情況，與之前兩者相比有了明顯變化，溫度變化從外壁逐漸向中心處擴展。

圖3 1h后發酵料液的溫度分布圖

圖4 1h后裝置中發酵料液橫截面溫度分布圖

圖5 1h后裝置中發酵料液中央橫截面溫度分布圖

圖6 5h后發酵料液的溫度分布圖

圖7 10h后發酵料液的溫度分布圖

由于10h后發酵料液的溫度分布有較明顯的變化，為了更準確地看出個節點的溫度情況，得到各節點的溫度散點圖。FLUENT模擬結果中10h后各節點溫度如圖8所示。

圖8 10h后各節點溫度散點圖

圖9、圖10分別為經過1h后和經過10h后的發酵反應器中沿直徑豎截面的速度場分布云圖和等值線圖。從速度場分布可以看出：反應器內大部分料液的速度非常小，只有裝置中部附近運動速度稍大，但也是很小的，基本可以忽略不計。與溫度分布情況基本符合，10h后與1h后相比無明顯變化，速度值很小，可以忽略不計。

圖9 1h和10h后發酵料液的速度分布圖

圖10 1h和10h后發酵料液的速度分布等值線圖

contourmapafter1hour

由此可見：與加熱1h相比，加熱10h后整個發酵反應器內的速度分布沒有明顯變化，料液的流動速度也很小，其速度分布與溫度分布大體趨勢相同。由于軟件計算中邊界層處劃分網格較小,此處控制體體積也較小，其流動狀態對整個反應器速度分布的影響相對較小。因此，在離線底端不遠處，貼軸線處向上的流動速度大幅減弱,在反應器的大部分區域，流動速度很小，基本可以忽略不計。

3 結論

分析了厭氧發酵反應器的傳熱機理，運用Gambit建立發酵反應器的計算求解模型，設定合適的初始條件和邊界條件采用有限容積法對方程進行離散處理，對模型體劃分成均勻交錯網格，對離散方程進行迭代

求解。運用FLUENT軟件，對厭氧發酵反應器中發酵料液的速度場及溫度場進行計算，對所得的不同時間的流動及溫度分布的情況進行分析，得到如下結論：

1)確立了厭氧發酵反應器的物理模型為封閉腔內的二維非穩態導熱模型，應用了描述其特性的數學模型包括連續性方程、動量方程和能量方程。

2)對厭氧發酵反應器中發酵料液的速度場及溫度場進行分析，結果表明：經過10h后溫度場有了較明顯的變化，但速度場變化不大，速度值也非常微小，基本可以忽略不計。

3)FLUENT模擬結果表明：發酵料液流動速度非常微小，可以忽略不計；反應器內部料液與反應器側壁和地面之間熱量傳遞方式以導熱為主，可以忽略對流換熱作用，為進一步建立傳熱模型提供理論依據。

[1] 沈志遠. 生物質能源利用的新探索[D].南京：南京林業大學, 2006.

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[7] 何國敏. 現代化溫室溫度場數字化模擬研究[D].南京：南京農業大學, 2011.

[8] 孫躍. 二維方腔內空氣對流數值研究[D].沈陽：遼寧工程技術大學, 2013.

[9] 張育民.基于CFD的熱管兩相流數學模型與數值模擬[D].廣州:華南理工大學, 2014.AbstractID:1003-188X(2017)04-0252-EA

Keywords：methane;fermentationreactor;temperaturefield;CFD

NumericalSimulationofAnaerobicFermentationReactorTemperatureField

DuYue,LiuJianyu,WangShangkun,ZhuKunzhan,HeJiabei

(CollegeofEngineering,NortheastAgricultureUniversity,Harbin150030,China)

Anaerobicfermentationreactorisanimportantmeansofbiogasprojects.Becauseofitsinternalreactionisverycomplex,therefore,studyingthelocalflowandheattransferprocessoffermentationinthereactorhasbeenaconsiderableresearchwithgreatvalue.Graspingthetemperaturedistributioninthereactoristhebasisfortheanaerobicfermentationprocesstooptimizethetechnology.Itplaysavitalroleincontrollingthetemperatureofreactor.Inthispaper,CFD(computationalfluiddynamics)numericalsimulationmethodisadoptedatthetemperaturefield,velocityfieldwithinthefermentationliquidsimulation.Theliquidflowandheattransferareanalyzed.Sincefermentationliquidflowrateisverysmall,basicallynegligible.Thus,theinsideofthereactorwiththereactorfeedliquidheattransferbetweenthesidewallandtheground-basedapproachtothethermalconductivity,convectiveheattransfereffectcanbeignored.Itcanprovideatheoreticalbasisforfurtherstudyinthefuture.

2016-05-16

黑龍江省科技攻關項目(GA09B503-1)

杜 越(1988-)，女，哈爾濱人，碩士研究生，(E-mail)987123duyue@163.com。

劉建禹(1965-)，男，哈爾濱人，教授，碩士生導師，(E-mail)liujy@neau.edu。

S

A

1003-188X(2017)04-0252-04