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攪拌是現(xiàn)代沼氣工程必不可少的操作單元,可大幅提高沼氣工程發(fā)酵效率,提升產(chǎn)氣率和污染物去除率  [1-2]  但由于沼氣工程發(fā)酵必須在嚴(yán)格密閉的條件下進(jìn)行,設(shè)計(jì)人員無(wú)從掌握攪拌時(shí)的流場(chǎng)形態(tài),缺乏優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù),往往只能憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(duì)發(fā)酵效率的提升收效甚微,甚至反而消耗更多能源?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法可以在很大程度上解決這個(gè)問(wèn)題,沼氣工程發(fā)酵料液的攪拌本質(zhì)上是在外力作用下的流動(dòng)過(guò)程,數(shù)值模擬計(jì)算可以幫助人們掌握其理論上的流動(dòng)過(guò)程和流場(chǎng)形態(tài)。而隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,沼氣工程發(fā)酵

裝置內(nèi)部流場(chǎng)的精確計(jì)算也變得越來(lái)越簡(jiǎn)便可行5。目前沼氣學(xué)界應(yīng)用最廣的流體力學(xué)數(shù)值模擬工具是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)( Computational Fluid Dynamics,CFD)。2002年,美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)的弗雷明6( JG Fleming)發(fā)表了題為《 Novel simulation of anaerobic digestion using computational fluiddynamics》的博士學(xué)位論文,是第1篇系統(tǒng)論述利用CFD方法研究沼氣工程發(fā)酵料液混合攪拌流場(chǎng)形態(tài)的論文。此后,沼氣學(xué)界大量應(yīng)用該款成熟商業(yè)軟件,在流場(chǎng)形態(tài)的研究方面取得了極大進(jìn)展。盡管由于攪拌提升沼氣工程發(fā)酵效率的根本機(jī)理尚不夠清楚,所以關(guān)于攪拌的具體方法,學(xué)界尚存一定爭(zhēng)議刀。但

是,利用CFD工具,研究人員可將攪拌所形成的流  場(chǎng)可視化,從而更加精確地驗(yàn)證和指導(dǎo)攪拌方式  的設(shè)計(jì)0,使沼氣料液攪拌領(lǐng)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(xué)、精準(zhǔn)  的可視化、數(shù)量化研究層面上來(lái),是21世紀(jì)以來(lái)沼  氣學(xué)界較為先進(jìn)的一個(gè)研究方向  國(guó)內(nèi)外一些研究表明CFD可以較為精確地模  擬出沼氣工程發(fā)酵料液的流場(chǎng)形態(tài)。 Vesvikar模擬計(jì)算  了料液的流向、平均流速、湍流動(dòng)能、切應(yīng)力、粒子循  環(huán)時(shí)間氣體升流分布6個(gè)方面的數(shù)據(jù),并用粒子示

蹤法加以驗(yàn)證,證明了CFD計(jì)算的結(jié)果是與事實(shí)相  吻合的,表明CFD方法可以精確模擬料液流場(chǎng)形態(tài)2。在此前提下,Karm將合速度絕對(duì)值低于最  高值5%的區(qū)域定義為“弱攪拌區(qū)( poorly mixing

aone)”,并計(jì)算了某流場(chǎng)的弱攪拌區(qū),評(píng)價(jià)了流場(chǎng)的  優(yōu)劣,并初步指出影響弱攪拌區(qū)大小的因素。

Mehul s. Vesvikar用CFD試算了大量攪拌方案后

發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)最差的情況下,弱攪拌區(qū)占罐體總體積的

比例可以高達(dá)59.7%1,可見(jiàn)優(yōu)化潛力巨大。而吳斌鑫則將合速度絕對(duì)值低于0.001m  域定義為“死區(qū)( dead zone)",并通過(guò)CFD模擬計(jì)算驗(yàn)證了死區(qū)就是攪拌動(dòng)能的死角,就算增大射流初速度,甚至將初速度增大到5.7m·s-這樣的極端情況,亦只能使非死區(qū)的動(dòng)能更加充沛,卻并不能減少死區(qū)所占的空間。這也提示了筆者,一味加攪拌功率并不能改善流場(chǎng)形態(tài),而只能通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)改善。但就目前的研究進(jìn)展來(lái)看,學(xué)界找到了一些利用CFD方法掌握流場(chǎng)形態(tài)的方法并用于研究,但在利用CFD改進(jìn)沼氣工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐應(yīng)用方面仍有較大欠缺

筆者試圖通過(guò)一次利用CFD方法模擬構(gòu)建沼氣厭氧發(fā)酵裝置流場(chǎng)形態(tài),從而優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌流場(chǎng)的典型范例,闡述底部進(jìn)水和分散式出口整流布水工藝對(duì)打破沼氣工程靜態(tài)發(fā)酵,重新構(gòu)造流場(chǎng)的作用,同時(shí)介紹利用CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)沼氣工程發(fā)酵料液攪拌流場(chǎng)的步驟方法

1模擬對(duì)象與數(shù)學(xué)模型

1.1模擬分析對(duì)象與條件

筆者首先構(gòu)建一個(gè)具有底部和側(cè)面兩個(gè)孔洞的閉式循環(huán)系統(tǒng),通過(guò)泵提供動(dòng)能,形成循環(huán)攪拌。由  于本文研究對(duì)象僅限于沼氣工程發(fā)酵罐內(nèi)的料液部分

不考慮氣體部分和閉式循環(huán)系統(tǒng)的其余部分,所  僅僅將100m高的料液部分作為模擬計(jì)算的象,所以模型簡(jiǎn)化為1000m高的液柱和兩個(gè)直徑100m的圓形孔洞,如圖1所示。

沼氣工程發(fā)酵料液成分復(fù)雜,但多為低濃度溶液Kaim認(rèn)為液體的粘性系數(shù)并不影響流態(tài),所以絕大多數(shù)料液包括固液多相流的基本流場(chǎng)形態(tài)均是與純水流場(chǎng)相似的。筆者首先計(jì)算水在沼氣工程發(fā)酵裝置中的基本流態(tài),用普通的水作為介質(zhì),模擬說(shuō)明各種沼氣工程發(fā)酵裝置中流體的基本流態(tài),然后掌握其  基本流場(chǎng)形態(tài)特征,作為罐體優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本依據(jù)1.2數(shù)學(xué)模型  由于現(xiàn)階段模擬計(jì)算僅以水為介質(zhì),所以采用  單相流方法求解,其流體流動(dòng)連續(xù)性方程如下

2速度入口方向的選擇

2.1關(guān)于攪拌方式的選擇  根據(jù)邱凌的研究,動(dòng)態(tài)發(fā)酵比靜態(tài)發(fā)酵年均  產(chǎn)氣量提高31.0%~72.4%。而根據(jù)楊浩、鄧良  偉等的研究綜述,說(shuō)明業(yè)界已經(jīng)明確攪拌確實(shí)有  利于沼氣工程發(fā)酵。但關(guān)于攪拌的方式尚存一定爭(zhēng)議,  Khursheed Karim(30比較了葉輪機(jī)械攪拌、水力攪拌  和氣動(dòng)攪拌3種方式,指出在低濃度下,不同攪拌方  式對(duì)提升產(chǎn)氣率的效果均不明顯,但TS濃度(干物質(zhì)濃度)達(dá)到10%時(shí),3種攪拌方式下的產(chǎn)氣率則  分別比不攪拌高22%,29%和15%,說(shuō)明水力攪拌或是最佳方式。而關(guān)于攪拌功率輸入的部位,則主  要存在側(cè)插式攪拌和底部攪拌兩種爭(zhēng)議2-21。現(xiàn)將水力攪拌的水力速度入口分別設(shè)于側(cè)面和底部,用CFD模擬計(jì)算其流化效果,并進(jìn)一步試算其優(yōu)化模型,以作比較分析。

2.2側(cè)面進(jìn)水,底部出水

置邊界條件為入口速度1m·s-1,并設(shè)置重

力加速度為9.81m·s-2,通過(guò)模擬結(jié)果圖3,圖4看,流速分布很不均勻,進(jìn)水口和出水口之間的水力通路明顯,其余區(qū)域尤其是高位的流速則非常低。

截取高度為0.2m和0.8m的兩個(gè)截面作比較,通過(guò)圖5和圖6看,高位的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于低位。這可能是因?yàn)橹亓铀俣戎赶虺跛俣鹊拇怪狈较蛩约铀俣绕蚍浅?yán)重。

2.3底部進(jìn)水,側(cè)面出水  轉(zhuǎn)換速度入口和壓力出口,即形成底部進(jìn)水,側(cè)  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(guò)模擬結(jié)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(qū)域。

通過(guò)模擬結(jié)果圖9,圖10看,高度為0.2m和  0.8m的兩個(gè)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(méi)有造成加速度嚴(yán)重偏向某一側(cè)方面。2.4底部進(jìn)水是最佳攪拌方式  通過(guò)以上兩種進(jìn)水方向的比較,顯見(jiàn)底部進(jìn)水

的方式下,整個(gè)區(qū)域的流場(chǎng)分布更均勻,攪拌的影范圍更大?？梢?jiàn)在水力攪拌的部位選擇問(wèn)題上部攪拌比側(cè)插式攪拌更優(yōu)。

3壓力出口優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1分散式出口設(shè)計(jì)

從前文的模擬結(jié)果看,進(jìn)水口和出水口距離太近,容易形成短且單一的水力通路,導(dǎo)致料液滯留時(shí)

間短,流化區(qū)域小,高于側(cè)面出水管的部分流速急劇  降低,大部分區(qū)域速度接近于0,顯示未形成全區(qū)域  的理想流化效果。考慮改變?cè)O(shè)計(jì),將出水管抬高至離底面0.8m處,并設(shè)計(jì)4個(gè)出口,如此則有望在區(qū)域中形成多個(gè)流通環(huán)路,實(shí)現(xiàn)速度、壓力、分流量的再分配,如圖11所示。

3.2模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的基本流場(chǎng)

根據(jù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案模擬底部進(jìn)水方式的流場(chǎng),仍采用控制容積法劃分網(wǎng)格,按每邊300個(gè)網(wǎng)格設(shè)置,共生成2921029個(gè)網(wǎng)格,其網(wǎng)格模型如圖12所示。

設(shè)置邊界條件為入口速度1m·s-1,設(shè)置重力加速度為9.81m·s2。通過(guò)模擬結(jié)果圖13,圖14看,優(yōu)化設(shè)計(jì)下,較高區(qū)域獲得的動(dòng)能遠(yuǎn)比原設(shè)計(jì)多,速度分布均勻得多。

而通過(guò)模擬結(jié)果圖15,圖16看,高度為0.8m的截面流速比高度為0.2m的截面更高,而且各自的分布都很均勻。這意味著大量的動(dòng)能被輸送到高位,在實(shí)際工況中,不溶于水的發(fā)酵原料會(huì)被帶至

4結(jié)果與討論

筆者以1個(gè)小型沼氣工程發(fā)酵裝置為例,完整展示了利用CFD數(shù)值模擬可視化研究沼氣工程發(fā)酵料液流

場(chǎng)形態(tài),并以之為依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)罐體和攪拌形態(tài)的  方法。在本算例中,筆者通過(guò)直觀可見(jiàn)的模擬流場(chǎng)  形態(tài)分析,首先說(shuō)明了底部進(jìn)水相比側(cè)面進(jìn)水的優(yōu)  勢(shì),闡明了進(jìn)水加速度方向應(yīng)該逆重力方向的原理。  其次通過(guò)分散式壓力出口與集中式壓力出口的流場(chǎng)  分析,閘明了高位分散式壓力出口設(shè)計(jì)可以將動(dòng)能  擴(kuò)散到更廣闊空間,從而優(yōu)化流場(chǎng)形態(tài)的原理。綜  合以上改進(jìn)步驟,便是一個(gè)沼氣工程發(fā)酵裝置流化方案  的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程,這應(yīng)該成為沼氣工程設(shè)計(jì)的主流方法,為廣大設(shè)計(jì)人員所掌握  另一方面,沼氣工程發(fā)酵料液成分非常復(fù)雜,但以水  為介質(zhì)的CFD模擬可以作為流場(chǎng)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)  普遍適用于大多數(shù)液態(tài)發(fā)酵原料。一些以動(dòng)物糞便  為主要發(fā)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(jìn)行多相流模擬  計(jì)算。但這種算法下液相的流場(chǎng)形態(tài)仍是與基本流  場(chǎng)形態(tài)高度相似的,而且改變攪拌參數(shù)也只影響  固相的流動(dòng)形態(tài),對(duì)液相的影響并不大3),所以掌  握以水為介質(zhì)的單相流模擬結(jié)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(chǎng)形態(tài),對(duì)優(yōu)  化設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。即便該沼氣工程發(fā)酵裝置改  變工況,采用不同的發(fā)酵原料,其基本流場(chǎng)仍在設(shè)計(jì)  人員的掌握中,可以根據(jù)原料流變特性有依據(jù)地調(diào)整流化方案。所以,在工程設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員應(yīng)該首先充分利用CFD方法掌握以水為介質(zhì)的基本流場(chǎng)形態(tài),才能以此為依據(jù),進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),但目前CFD

法還較多地停留在科研領(lǐng)域,在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用太少,這正是沼氣行業(yè)亟待加強(qiáng)的一個(gè)方面

在下一步工作中,筆者還將進(jìn)一步介紹各種復(fù)雜多相流流場(chǎng)形態(tài)的分析及其優(yōu)化方法,為更多更復(fù)雜發(fā)酵原料的工藝提供指導(dǎo)

水力攪拌時(shí),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(cè),導(dǎo)致流場(chǎng)分布  不均,所以應(yīng)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(cè),又可以借助重力在攪拌  的時(shí)間間歇形成上下翻滾

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中,為方便出渣,出渣管往往設(shè)計(jì)  得很低,接近發(fā)酵罐底部。但在水力攪拌條件下,壓  力出口應(yīng)該設(shè)計(jì)得盡量高,才有利于避免過(guò)短的水  力通路,擴(kuò)大水力攪拌的影響范圍,促進(jìn)全區(qū)域的充  分均勻混合

設(shè)計(jì)多個(gè)出渣口,實(shí)際形成多個(gè)壓力出口,可在  發(fā)酵罐內(nèi)部形成多個(gè)流通環(huán)路,并相互交叉,實(shí)現(xiàn)流  速、壓力、分流量的再分配,極大優(yōu)化罐內(nèi)的流場(chǎng)形態(tài)  CFD數(shù)值模擬方法可以將肉眼不可見(jiàn)的流場(chǎng)  形態(tài)用圖形展示,可以讓設(shè)計(jì)人員在一定程度上掌  握流場(chǎng),從而幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌,應(yīng)成為沼氣工程流場(chǎng)設(shè)計(jì)的主流方法。

摘自《中國(guó)沼氣》2018第一期 馮琳 郭亭 趙鑫 羅濤 梅自力 龍燕 黃如一

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