基于CFD的厭氧發(fā)酵攪拌技術(shù)研究.pdf

1、利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理有機(jī)廢棄物生產(chǎn)沼氣是集環(huán)境污染治理、減少碳排放和提供可再生能源于一體的生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)，在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，加速微生物反應(yīng)進(jìn)程成為當(dāng)前的研究主題，促進(jìn)液相與微生物之間的底物傳遞速度會(huì)加快反應(yīng)效率，實(shí)現(xiàn)這一目的的重要手段就是攪拌。
　　通常情況下，由于厭氧發(fā)酵原料不透明，無(wú)法獲取實(shí)際的流場(chǎng)分布，因此本文對(duì)模擬厭氧發(fā)酵攪拌流場(chǎng)，分別利用可視化的PIV測(cè)量技術(shù)以及數(shù)值模擬對(duì)厭氧發(fā)酵拌裝置進(jìn)行研究。文中所采用的攪拌槳葉為二

2、葉折葉槳，試驗(yàn)部分應(yīng)用PIV測(cè)量技術(shù)通過(guò)對(duì)9種工況下的攪拌流場(chǎng)研究，測(cè)定各工況下的攪拌軸功率及混合時(shí)間，將三種影響因素:攪拌軸轉(zhuǎn)速、槳葉直徑、槳葉安裝角度結(jié)果進(jìn)行正交試驗(yàn)與極差分析，優(yōu)化出較優(yōu)水平組合，為厭氧發(fā)酵攪拌槳的設(shè)計(jì)提供思路，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。并應(yīng)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)將試驗(yàn)優(yōu)化的發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出流場(chǎng)的速度矢量與渦量分布情況，應(yīng)用Fluent軟件以及標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)體系湍流特性進(jìn)行描述，通過(guò)CFD數(shù)值模擬結(jié)果與PI

3、V試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析，得出CFD技術(shù)在厭氧發(fā)酵中對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)的流場(chǎng)研究具有高度的可行性，但不排除局部有些地方存在差異的現(xiàn)象。本文的主要工作及研究成果包括:
　　(1)進(jìn)行試驗(yàn)裝置及物料模擬，應(yīng)用PIV測(cè)量技術(shù)對(duì)9種工況下的速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，獲得9種工況下的速度分布圖，渦量分布圖。經(jīng)分析得出:平面內(nèi)的流型基本相似，主體大環(huán)流方向一致，且速度極值出現(xiàn)在槳葉端部。
　　(2)根據(jù)PIV試驗(yàn)、凈功率和混合時(shí)間的測(cè)定結(jié)果，對(duì)比分析三種因

4、素:攪拌軸轉(zhuǎn)速、槳葉直徑、槳葉安裝角度，進(jìn)行正交試驗(yàn)，優(yōu)化出較優(yōu)槳葉組合:攪拌軸轉(zhuǎn)速為150r/min、槳葉直徑為0.135m、槳葉角度為60°，試驗(yàn)指標(biāo)軸功率為2.6W，混合時(shí)間為5s。
　　(3)將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行CFD的數(shù)值模擬研究，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型及其控制方程，將PIV試驗(yàn)所測(cè)速度矢量分布與CFD數(shù)值模擬的速度矢量分布進(jìn)行對(duì)比分析得出:兩者的分布圖具有高度的一致性。綜合所述，在厭氧發(fā)酵攪拌過(guò)程對(duì)流場(chǎng)分布的測(cè)量，應(yīng)用CFD數(shù)值