利用CFD工具優化設計沼氣工程流場形態的方法研究

馮 琳， 郭 亭， 趙 鑫， 羅 濤， 梅自力， 龍 燕， 黃如一,

(1.成都農業科技職業學院， 四川 成都 611130； 2. 四川省農村能源辦公室， 四川 成都 610041； 3.樂山市農業科學研究院， 四川 樂山 614000； 4.農業部沼氣科學研究所, 農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室， 四川 成都 610041)

攪拌是現代沼氣工程必不可少的操作單元，可大幅提高沼氣發酵效率，提升產氣率和污染物去除率[1-2]。但由于沼氣發酵必須在嚴格密閉的條件下進行，設計人員無從掌握攪拌時的流場形態，缺乏優化設計的依據，往往只能憑經驗設計攪拌方式，有可能并不適用于其罐體形狀和原料特性[3]，一些粗劣的攪拌工藝對發酵效率的提升收效甚微，甚至反而消耗更多能源[4]?，F在計算機數值模擬方法可以在很大程度上解決這個問題，沼氣發酵料液的攪拌本質上是在外力作用下的流動過程，數值模擬計算可以幫助人們掌握其理論上的流動過程和流場形態。而隨著現代計算機技術的持續發展，沼氣發酵裝置內部流場的精確計算也變得越來越簡便可行[5]。目前沼氣學界應用最廣的流體力學數值模擬工具是計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)。2002年，美國北卡羅萊納州立大學的弗雷明[6](JG Fleming)發表了題為《Novel simulation of anaerobic digestion using computational fluid dynamics》的博士學位論文，是第1篇系統論述利用CFD方法研究沼氣發酵料液混合攪拌流場形態的論文。此后，沼氣學界大量應用該款成熟商業軟件，在流場形態的研究方面取得了極大進展。盡管由于攪拌提升沼氣發酵效率的根本機理尚不夠清楚，所以關于攪拌的具體方法，學界尚存一定爭議[7]。但是，利用CFD工具，研究人員可將攪拌所形成的流場可視化[8]，從而更加精確地驗證和指導攪拌方式的設計[9-10]，使沼氣料液攪拌領域的研究在很大程度上擺脫了不可視條件的束縛，提升至更科學、精準的可視化、數量化研究層面上來，是21世紀以來沼氣學界較為先進的一個研究方向[11]。

國內外一些研究表明CFD可以較為精確地模擬出沼氣發酵料液的流場形態。Vesvikar模擬計算了料液的流向、平均流速、湍流動能、切應力、粒子循環時間、氣體升流分布6個方面的數據，并用粒子示蹤法加以驗證，證明了CFD計算的結果是與事實相吻合的，表明CFD方法可以精確模擬料液流場形態[12]。在此前提下，Karim將合速度絕對值低于最高值5%的區域定義為“弱攪拌區(poorly mixing zone)”，并計算了某流場的弱攪拌區，評價了流場的優劣，并初步指出影響弱攪拌區大小的因素[13]。Mehul S. Vesvikar用CFD試算了大量攪拌方案后，發現流場最差的情況下，弱攪拌區占罐體總體積的比例可以高達59.7%[14]，可見優化潛力巨大。而吳斌鑫則將合速度絕對值低于0.001 m·s-1的區域定義為“死區(dead zone)”，并通過CFD模擬計算驗證了死區就是攪拌動能的死角，就算增大射流初速度，甚至將初速度增大到5.7 m·s-1這樣的極端情況，亦只能使非死區的動能更加充沛，卻并不能減少死區所占的空間[15]。這也提示了筆者，一味增加攪拌功率并不能改善流場形態，而只能通過優化設計來改善。但就目前的研究進展來看，學界找到了一些利用CFD方法掌握流場形態的方法并用于研究，但在利用CFD改進沼氣工程設計的實踐應用方面仍有較大欠缺[16]。

筆者試圖通過一次利用CFD方法模擬構建沼氣厭氧發酵裝置流場形態，從而優化設計攪拌流場的典型范例，闡述底部進水和分散式出口整流布水工藝對打破沼氣工程靜態發酵,重新構造流場的作用，同時介紹利用CFD優化設計沼氣發酵料液攪拌流場的步驟方法。

1 模擬對象與數學模型

1.1 模擬分析對象與條件

筆者首先構建一個具有底部和側面兩個孔洞的閉式循環系統，通過泵提供動能，形成循環攪拌。由于本文研究對象僅限于沼氣發酵罐內的料液部分，

不考慮氣體部分和閉式循環系統的其余部分，所以僅僅將1000 mm高的料液部分作為模擬計算的對象，所以模型簡化為1000 mm高的液柱和兩個直徑100 mm的圓形孔洞，如圖1所示。

1.循環管； 2.料液； 3.儲氣間； 4.導氣管； 5出水口； 6泵； 7.進水口圖1 沼氣發酵裝置閉式循環系統及其料液模型示意圖

沼氣發酵料液成分復雜，但多為低濃度溶液。Karim認為液體的粘性系數并不影響流態[17]，所以絕大多數料液包括固-液多相流的基本流場形態均是與純水流場相似的。筆者首先計算水在沼氣發酵裝置中的基本流態，用普通的水作為介質，模擬說明各種沼氣發酵裝置中流體的基本流態，然后掌握其基本流場形態特征，作為罐體優化設計的基本依據。

1.2 數學模型

由于現階段模擬計算僅以水為介質，所以采用單相流方法求解，其流體流動連續性方程如下：

(1)

其動量方程如下：

(2)

(3)

(4)

式中：▽為哈密頓微分算子：

(5)

1.3 數值方法

采用控制容積法劃分網格，按每邊1000個網格設置，共生成3383839個網格，其網格模型如圖2所示。

2 速度入口方向的選擇

2.1 關于攪拌方式的選擇

根據邱凌[18]的研究，動態發酵比靜態發酵年均產氣量提高31.0%～72.4%。而根據楊浩、鄧良偉[19]等的研究綜述，說明業界已經明確攪拌確實有利于沼氣發酵。但關于攪拌的方式尚存一定爭議，Khursheed Karim[20]比較了葉輪機械攪拌、水力攪拌和氣動攪拌3種方式，指出在低濃度下，不同攪拌方式對提升產氣率的效果均不明顯，但TS濃度(干物質濃度)達到10%時，3種攪拌方式下的產氣率則分別比不攪拌高22%，29%和15%，說明水力攪拌或是最佳方式。而關于攪拌功率輸入的部位，則主要存在側插式攪拌和底部攪拌兩種爭議[21-22]?，F將水力攪拌的水力速度入口分別設于側面和底部，用CFD模擬計算其流化效果，并進一步試算其優化模型，以作比較分析。

2.2 側面進水，底部出水

設置邊界條件為入口速度1 m·s-1，并設置重力加速度為9.81 m·s-2，通過模擬結果圖3，圖4看，流速分布很不均勻，進水口和出水口之間的水力通路明顯，其余區域尤其是高位的流速則非常低。

圖3 側面進水y=0截面速度矢量圖

圖4 側面出水y=0截面速度矢量圖

圖5 側面進水z=0.2截面速度矢量圖

圖6 側面進水z=0.8截面速度矢量圖

截取高度為0.2 m和0.8 m的兩個截面作比較，通過圖5和圖6看，高位的流速遠遠小于低位。這可能是因為重力加速度指向初速度的垂直方向，所以加速度偏向非常嚴重。

2.3 底部進水，側面出水

轉換速度入口和壓力出口，即形成底部進水，側面出水的格局。邊界條件和重力加速度等操作條件與2.2相同。通過模擬結果圖7，圖8看，流速分布仍不是非常均勻，但比上一種攪拌方式有明顯提升，尤其是在位置較高的區域。

圖7 底部進水y=0截面速度矢量圖

圖8 底部進水x=0截面速度矢量圖

通過模擬結果圖9，圖10看，高度為0.2 m和0.8 m的兩個截面流速差距比上一種攪拌方式小很多，這可能是由于重力加速度指向初速度的豎直方向，所以沒有造成加速度嚴重偏向某一側方面。

2.4 底部進水是最佳攪拌方式

通過以上兩種進水方向的比較，顯見底部進水的方式下，整個區域的流場分布更均勻，攪拌的影響范圍更大?？梢娫谒嚢璧牟课贿x擇問題上，底部攪拌比側插式攪拌更優。

圖9 底部進水z=0.2截面速度矢量圖

圖10 底部進水z=0.8截面速度矢量圖

3 壓力出口優化設計

3.1 分散式出口設計

從前文的模擬結果看，進水口和出水口距離太近，容易形成短且單一的水力通路，導致料液滯留時間短，流化區域小，高于側面出水管的部分流速急劇降低，大部分區域速度接近于0，顯示未形成全區域的理想流化效果?？紤]改變設計，將出水管抬高至離底面0.8 m處，并設計4個出口，如此則有望在區域中形成多個流通環路，實現速度、壓力、分流量的再分配，如圖11所示。

1.循環管； 2.料液； 3.儲氣間； 4.導氣管； 5出水口； 6泵； 7.進水口圖11 高位分散式壓力出口設計方案示意圖

3.2 模擬優化設計方案的基本流場

根據優化的設計方案模擬底部進水方式的流場，仍采用控制容積法劃分網格，按每邊300個網格設置，共生成2921029個網格，其網格模型如圖12所示。

設置邊界條件為入口速度1m·s-1，設置重力加速度為9.81 m·s-2。通過模擬結果圖13，圖14看，優化設計下，較高區域獲得的動能遠比原設計多，速度分布均勻得多。

而通過模擬結果圖15，圖16看，高度為0.8 m的截面流速比高度為0.2 m的截面更高，而且各自的分布都很均勻。這意味著大量的動能被輸送到高位，在實際工況中，不溶于水的發酵原料會被帶至高位，暫停攪拌時，原料會沿重力方向下沉[23]；重啟攪拌后又上升，如此反復，形成上下翻滾，極其有利于均勻混合，從而提升發酵效率[24]。

圖12 分散式出口模型的網格示意圖

圖13 分散式出口y=0剖面速度矢量圖

圖14 分散式出口x=0剖面速度矢量圖

圖15 分散式出口z=0.2速度矢量圖

圖16 分散式出口z=0.8截面速度矢量圖

4 結果與討論

筆者以1個小型沼氣發酵裝置為例，完整展示了利用CFD數值模擬可視化研究沼氣發酵料液流場形態，并以之為依據優化設計罐體和攪拌形態的方法。在本算例中，筆者通過直觀可見的模擬流場形態分析，首先說明了底部進水相比側面進水的優勢，闡明了進水加速度方向應該逆重力方向的原理。其次通過分散式壓力出口與集中式壓力出口的流場分析，闡明了高位分散式壓力出口設計可以將動能擴散到更廣闊空間，從而優化流場形態的原理。綜合以上改進步驟，便是一個沼氣發酵裝置流化方案的優化設計過程，這應該成為沼氣工程設計的主流方法，為廣大設計人員所掌握。

另一方面，沼氣發酵料液成分非常復雜，但以水為介質的CFD模擬可以作為流場設計的基本依據，普遍適用于大多數液態發酵原料。一些以動物糞便為主要發酵原料的工況，可以將糞便原料處理成固體顆粒，與水形成固-液兩相流工況進行多相流模擬計算。但這種算法下液相的流場形態仍是與基本流場形態高度相似的[17]，而且改變攪拌參數也只影響固相的流動形態，對液相的影響并不大[25]，所以掌握以水為介質的單相流模擬結果，就在很大程度上掌握了這種罐型和流化方案的基本流場形態，對優化設計具有重要指導意義。即便該沼氣發酵裝置改變工況，采用不同的發酵原料，其基本流場仍在設計人員的掌握中，可以根據原料流變特性有依據地調整流化方案。所以，在工程設計中，設計人員應該首先充分利用CFD方法掌握以水為介質的基本流場形態，才能以此為依據，進行優化設計，但目前CFD方法還較多地停留在科研領域，在工程設計領域應用太少，這正是沼氣行業亟待加強的一個方面。

在下一步工作中，筆者還將進一步介紹各種復雜多相流流場形態的分析及其優化方法，為更多更復雜發酵原料的工藝提供指導。

5 結論

水力攪拌時，若速度入口與重力方向形成較大夾角(如垂直)，則加速度偏向一側，導致流場分布不均，所以應該使速度入口盡量與重力方向相反，這樣既避免加速度偏向一側，又可以借助重力在攪拌的時間間歇形成上下翻滾。

傳統設計理念中，為方便出渣，出渣管往往設計得很低，接近發酵罐底部。但在水力攪拌條件下，壓力出口應該設計得盡量高，才有利于避免過短的水力通路，擴大水力攪拌的影響范圍，促進全區域的充分均勻混合。

設計多個出渣口，實際形成多個壓力出口，可在發酵罐內部形成多個流通環路，并相互交叉，實現流速、壓力、分流量的再分配，極大優化罐內的流場形態。

CFD數值模擬方法可以將肉眼不可見的流場形態用圖形展示，可以讓設計人員在一定程度上掌握流場，從而幫助優化設計攪拌，應成為沼氣工程流場設計的主流方法。

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