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攪拌可以提升紅泥膜沼氣池沼氣厭氧發(fā)酵的效率,顯著提升  產(chǎn)氣率和污染物去除率2),已成為現(xiàn)代紅泥膜沼氣池沼氣工程  不可或缺的附屬工藝3。長(zhǎng)期以來(lái),由于紅泥膜沼氣池沼氣厭氧  發(fā)酵裝置的密閉性等客觀原因,設(shè)計(jì)人員只能在不  掌握流場(chǎng)形態(tài)的情況下,隨意添加一些攪拌措施,但實(shí)際流場(chǎng)形態(tài)很差,并不適用于其罐體形狀和原料特性4,不能有效提升發(fā)酵效率,甚至消耗更多能源。

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法可以幫助人們?cè)谝欢ǔ潭?/p>

上掌握攪拌的流動(dòng)過(guò)程和流場(chǎng)形態(tài),從而指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌形式6),大幅提升攪拌效率。目前紅泥膜沼氣池沼氣學(xué)界應(yīng)用最廣的流體力學(xué)數(shù)值模擬方法是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)( Computational Fluid Dynamics,  以下簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)方法,十五年來(lái),紅泥膜沼氣池沼氣學(xué)界大量應(yīng)用該方法  及相關(guān)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,是21世紀(jì)以來(lái)紅泥膜沼氣池沼氣學(xué)界較為先進(jìn)的  個(gè)研究方向8。CFD方法的主要問(wèn)題是構(gòu)建模型、  數(shù)值計(jì)算和結(jié)果輸出三大方面,其中數(shù)值計(jì)算方法

是最核心的問(wèn)題。紅泥膜沼氣池沼氣工程的攪拌介質(zhì)、形式、原料  相態(tài)等工況多種多樣,適用的計(jì)算方法也千差萬(wàn)別,  研究人員對(duì)此進(jìn)行了深人研究并進(jìn)行了詳細(xì)的分  類(lèi)。作為一種模擬技術(shù),CFD的計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性需  要現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的驗(yàn)證。近年來(lái),紅泥膜沼氣池沼氣學(xué)界在這方  面也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,并反過(guò)來(lái)促進(jìn)了算法模型的  進(jìn)一步改進(jìn),使之更加精準(zhǔn)地適用于各種工況。本  文主要針對(duì)學(xué)界在計(jì)算方法尤其是在適用工況方面  的研究作出綜述。

1算法模型的研究進(jìn)展

1.1湍流模型

湍流算法是CFD模擬的基礎(chǔ),目前已經(jīng)形成了  許多相當(dāng)成熟的算法可供選用,但仍然存在一些爭(zhēng)  議。學(xué)界最常用的計(jì)算軟件是 ANSYS公司在2006  年發(fā)布的 Fluent6.3,該軟件內(nèi)置的湍流模型是  Launder和 Spalding創(chuàng)立的經(jīng)典ke模型”,該模型  計(jì)算較為準(zhǔn)確且運(yùn)算經(jīng)濟(jì),是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域最常用  的湍流算法。近年來(lái)也出現(xiàn)了許多適用于特殊工況  的細(xì)微修正版本如 Standard k=e,SsT-k-g,RNGk-e  和 realizable k-g等。吳斌鑫總結(jié)了12種修正的  湍流模型,劃分其適用的雷諾數(shù)范圍,指出紅泥膜沼氣池沼氣料液  的攪拌是一種低雷諾數(shù)湍流,最適合采用 SST-k-E模型。韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的 Bitog JP列舉了35種工況適用的湍流模型,比吳斌鑫更加詳盡。吳斌鑫比較了使用各個(gè)低雷諾數(shù)湍流模型的方差值認(rèn)為 Chang- Hsieh-Chen版本的低雷諾數(shù)ke模型是表現(xiàn)最好的

1.2建立網(wǎng)格模型的方法

建立網(wǎng)格模型是CFD模擬計(jì)算最重要的前置

作,往往耗費(fèi)的時(shí)間比計(jì)算本身還要多1。Karim指出,網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的精確度有細(xì)微影響,但趨勢(shì)是非常相近的,不會(huì)有本質(zhì)區(qū)別。所以,研究者可以根據(jù)計(jì)算能力的實(shí)際情況,適當(dāng)調(diào)整引格密度。李英博列舉了21種工況適用的網(wǎng)格構(gòu)建方法,并在當(dāng)前計(jì)算機(jī)性能的背景下建議了網(wǎng)格密度。 Hong Se-won-)試算了一種超大型罐體的網(wǎng)格建模方法,將巨大的液柱切分成16截,分別以高密度網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算,最后再匯總,取得了較為精確的結(jié)果,為過(guò)于龐大的模型計(jì)算提供了良好借鑒。不過(guò)李英博和 Hong Se-Woon等不少韓國(guó)學(xué)者也審慎地指出,目前利用CFD對(duì)紅泥膜沼氣池沼氣工程攪拌流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算還存在諸多缺陷,最主要

的是CFD且前還局限于流動(dòng)性方程,不能增加生  物、化學(xué)反應(yīng)的鏈接,無(wú)法表現(xiàn)物料物性參數(shù)持續(xù)發(fā)

生變化的過(guò)程。  1.3CFD模擬計(jì)算仿真準(zhǔn)確性的驗(yàn)證  cFD是一種模擬計(jì)算,其仿真準(zhǔn)確程度一直受  到關(guān)注,而由于紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)酵都需要在厭氧環(huán)境下進(jìn)行,  容器嚴(yán)格密閉,非常難于準(zhǔn)確取測(cè)其流動(dòng)參數(shù)。但  近年來(lái)學(xué)界采取了許多辦法,在很大程度上驗(yàn)證了CFD模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性  早在1974年,Veho就嘗試過(guò)在嚴(yán)格密閉  的厭氧發(fā)酵罐中布置測(cè)點(diǎn)取測(cè)流速。但由于當(dāng)時(shí)技  術(shù)條件所限,實(shí)驗(yàn)并不成功。2010年,吳斌鑫利  用了現(xiàn)代水下測(cè)速元件,在一個(gè)簡(jiǎn)單的罐體內(nèi)布置  了幾個(gè)測(cè)點(diǎn)取測(cè)其流速,并證實(shí)能夠與CFD計(jì)算的  預(yù)測(cè)值相吻合。 Karim(2則利用計(jì)算機(jī)斷層掃描  (CT)、計(jì)算機(jī)自動(dòng)放射性粒子跟蹤( CARPT)等先  進(jìn)方法,穿透罐壁遙感取測(cè)攪拌時(shí)的真實(shí)流場(chǎng)圖形  并與CFD模擬結(jié)果之圖形進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了CFD  模擬的真實(shí)性和精確性。 Vesvikar和 AI-Dahhan2  在Kaim的基礎(chǔ)上,用示蹤粒子的流向、平均流速、  湍流動(dòng)能、切應(yīng)力、粒子循環(huán)時(shí)間、氣體升流分布六  個(gè)方面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與CFD計(jì)算數(shù)據(jù)相比較,證明了  CFD計(jì)算的結(jié)果是與事實(shí)相吻合的。 Rauen23利用3D多普勒超聲波測(cè)速計(jì)測(cè)量了厭氧發(fā)酵罐內(nèi)的流場(chǎng),發(fā)現(xiàn)與CFD計(jì)算結(jié)果有很好的吻合性,典型混  合區(qū)域有90%以上的準(zhǔn)確率,再次證明了CFD方法的準(zhǔn)確性  近年來(lái),中國(guó)較多地采用P方法2-2來(lái)驗(yàn)證CFD模擬的準(zhǔn)確性,但效果不甚理想。除此之外,河海大學(xué)的韓丹嘗試用激光多普勒測(cè)速LDV)方法測(cè)流速,但LDV是一種光學(xué)測(cè)速方法,紅泥膜沼氣池沼氣料液的成分太過(guò)復(fù)雜,而且污染物原料往往是不透明的,所以很難測(cè)準(zhǔn)。北京化工大學(xué)的黃雄斌劉用雙電極電導(dǎo)針?lè)椒y(cè)量局部連續(xù)相(液相)的流速,取得了與CFD模擬較好的吻合性,并且發(fā)現(xiàn)多相流工況下,改變攪拌參數(shù)主要是改變固相的流場(chǎng),液相流場(chǎng)與清水單相流的流場(chǎng)相比變化并不大。西安建筑科技大學(xué)的李志華采用了一種創(chuàng)新方法,他用吖啶橙染色法對(duì)微生物中的RNA和DNA染色,通過(guò)染色情況分析微生物活性的空間分布。結(jié)果表明,攪拌系統(tǒng)中污泥絮體結(jié)構(gòu)松散,粒徑細(xì)小,但具有良好的沉降性能;攪拌系統(tǒng)中RNADNA(以熒光的相對(duì)面積表征)和脫氫酶活性均高

于無(wú)攪拌系統(tǒng),說(shuō)明適度攪拌可以提高污泥厭氧消  化系統(tǒng)中微生物活性。

2各種工況的適用算法

2.1單相流算法模型

單相流是CFD模擬中最簡(jiǎn)單的一種算法,對(duì)于  一個(gè)攪拌方案而言,水單質(zhì)的流場(chǎng)是其基本流場(chǎng)形態(tài)。如果發(fā)酵原料能夠充分溶解于水,亦無(wú)妨將其溶液視為一個(gè)單相,在CFD模擬中采取單相流計(jì)算,極大節(jié)約運(yùn)算成本。其流體流動(dòng)連續(xù)性方程如下  [13]

2.2多相流算法模型

很多學(xué)者認(rèn)為多種原料可以相互促進(jìn)厭氧發(fā)酵  反應(yīng),比各自單獨(dú)發(fā)酵效率高得多-41,所以紅泥膜沼氣池沼氣  工程常使用多種相態(tài)的原料進(jìn)行混合發(fā)酵。如果不同原料不能充分溶于水或互相溶解的話,在CFD模擬中必須將其處理成不同的相,采用多相流模擬。吳國(guó)榮認(rèn)為紅泥膜沼氣池沼氣從料液中產(chǎn)生后,以氣泡形式浮出液面的過(guò)程也足以對(duì)料液產(chǎn)生攪拌作用氣泡在CFD模擬中可處理成非連續(xù)氣相大顆粒連續(xù)流,這種情況下還容易出現(xiàn)包括氣、液固三種相態(tài)的多相流

目前在紅泥膜沼氣池沼氣領(lǐng)域常用的多相流計(jì)算方法有兩  種:歐拉拉格朗日法和歐拉歐拉法,其下屬算法模

型分支關(guān)系如圖1所示

2.2.1歐拉-拉格朗日法  歐拉拉格朗日法的算法思路是將流體相處理  為連續(xù)相,將流場(chǎng)中的粒子處理為離散相,求解時(shí)直  接求解時(shí)均納維斯托克斯(N)方程,再單獨(dú)計(jì)算

粒子的軌跡,運(yùn)算成本很低。不過(guò)離散相模型要求  粒子在流場(chǎng)中所占的體積分?jǐn)?shù)非常低,甚至低到可  以忽略的地步。這其實(shí)更適合大氣懸浮污染物的計(jì)  算,適用的紅泥膜沼氣池沼氣工程工況很少,一些顆粒所占體積分

值得注意的是離散相模型只計(jì)算動(dòng)能,不計(jì)算  相分布(濃度場(chǎng)),這在很多時(shí)候無(wú)法滿足紅泥膜沼氣池沼氣工況研究的要求

2.2.2歐拉歐拉法  歐拉歐拉法的算法思路是將各個(gè)相都處理為  相互貫穿的連續(xù)流,包括固體也處理為顆粒流。這  恰恰是非常適用于紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)酵料液模擬的方法,因?yàn)榧t泥膜沼氣池沼氣發(fā)酵原料常以顆粒形式出現(xiàn)  在歐拉歐拉法的三種模型中,體積分?jǐn)?shù)模型是運(yùn)算成本最低的一類(lèi),但該模型是通過(guò)計(jì)算各個(gè)流  體相在網(wǎng)格內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)追蹤的  在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)將兩相作為混合相一起求解,而不是  兩相分別連續(xù)求解,所以精度最低,一般只適用于相  間無(wú)穿插的分層流動(dòng)工況。一些不同發(fā)酵原料不溶  于水且相互溶解度也極低的工況可以考慮采用該模  型,比如粗大的秸稈顆粒、廢紙等原料

混合模型是先將各相處理成混合相求解了混  合相運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后,再通過(guò)相間相對(duì)速度來(lái)描述離散相的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種算法比較適用于離散相的離散速度很小,意即在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仍能保持很高均勻度的流場(chǎng)。但紅泥膜沼氣池沼氣工程的流場(chǎng)研究往往正是要尋找并分  析攪拌不均勻的情況并加以改進(jìn),所以該模型在沼  氣領(lǐng)域應(yīng)用非常少。一些高黏性流體或稀薄固體原  料工況可以考慮采用該模型,比如畜禽糞污和一些特殊化工廢料  歐拉模型在n相流中建立n組獨(dú)立的連續(xù)性方  程和動(dòng)量方程,分別計(jì)算各個(gè)相的連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并  考慮相間作用力,是最精確的一種模型,不過(guò)也是所  有多相流模型中運(yùn)算成本最高的一個(gè)。事實(shí)上,沼  氣發(fā)酵料液的固液兩相運(yùn)動(dòng)確實(shí)有一定的分離性  質(zhì),所以很需要分別精確計(jì)算。正因如此,吳斌

鑫(4認(rèn)為歐拉模型是最適用于紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)酵料液混合攪拌流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算的多相流模型。

需要提醒的是,在長(zhǎng)期的  的物理形態(tài)會(huì)發(fā)生改變,比如精桿在初期是典型的  不溶于水粗大顆粒,但隨著發(fā)酵的持續(xù)進(jìn)行,后期會(huì)  轉(zhuǎn)化為假塑性流體“,這時(shí)適用的模型將會(huì)從體積  分?jǐn)?shù)模型轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏Ｐ?。?lèi)似情況需要研究人員

充分考慮  總結(jié)當(dāng)前的研究進(jìn)展來(lái)看,筆者傾向于贊同吳

斌鑫的觀點(diǎn),認(rèn)為只要運(yùn)算成本滿足,氣混合發(fā)醇  的多相流流場(chǎng)形態(tài)模擬計(jì)算都應(yīng)該采用歐拉模型。  值得注意的是計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力是有限的,在  CFD模擬中不能無(wú)限度地細(xì)分發(fā)酵原料的種類(lèi),設(shè)

置太多的相,而只能將相態(tài)相近的原料近似處理為  個(gè)相,得到它們的近似共同運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

3當(dāng)前研究的問(wèn)題和趨勢(shì)

3,1面臨的問(wèn)題  十五年來(lái),學(xué)界在利用CFD方法提升紅泥膜沼氣池沼氣工程  設(shè)計(jì)水平方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但仍存在不少問(wèn)

3.1.1模擬準(zhǔn)確性的問(wèn)題

該領(lǐng)域研究首要的問(wèn)題仍是模擬準(zhǔn)確性的問(wèn)題。盡管大量研究利用各種方法驗(yàn)證了CFD模擬的真實(shí)性,但紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)酵原料種類(lèi)復(fù)雜,研究者只能粗略地創(chuàng)造少量幾個(gè)自定義介質(zhì)來(lái)近似地表示發(fā)酵原料。但事實(shí)上發(fā)酵原料在發(fā)酵過(guò)程中存在著持續(xù)不斷的相變,如何準(zhǔn)確地確定模擬介質(zhì)的物性參數(shù)始終是一個(gè)難題。日前業(yè)界的做法多是取料液某個(gè)時(shí)點(diǎn)的狀態(tài)作為模擬對(duì)象。

Karim14認(rèn)為流體的粘性系數(shù)并不影響流態(tài),但吳斌鑫“不贊同,認(rèn)為牛頓流體和非牛頓流體的算法應(yīng)該是不同的,黃如一“也認(rèn)為紅泥膜沼氣池沼氣厭氧發(fā)酵的時(shí)間很長(zhǎng),物料的形態(tài)會(huì)隨著發(fā)酵的持續(xù)進(jìn)行而發(fā)生改變,實(shí)驗(yàn)中甚至?xí)霈F(xiàn)固態(tài)原料最終轉(zhuǎn)化為假塑性流體的情況。白衛(wèi)東指出,溫度、pH值以及連續(xù)投料都會(huì)改變介質(zhì)的流變特性,在模擬計(jì)算中應(yīng)予考慮。而從工程角度講,粘性料液會(huì)在一些關(guān)鍵通道發(fā)生粘滯甚至阻塞現(xiàn)象,所以物料的粘性是不能忽略的。 KJ Craig研究了非牛頓流體的極端情況:漢斯一巴克利流體在厭氧發(fā)酵罐內(nèi)攪拌中的流變特性,認(rèn)為可以作為某些特殊發(fā)酵原料的模擬計(jì)算方法

3.1.2模擬計(jì)算能力的問(wèn)題

其次是CFD模擬計(jì)算能力受制計(jì)算  的進(jìn)步。最初紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)酵罐小面簡(jiǎn)單,但近年來(lái)開(kāi)始的一  一排張聯(lián)甲沿買(mǎi)某s帝YB

優(yōu)  ),使罐體形狀的準(zhǔn)確模擬變  雜。另一方面,大型罐體的試算不具備實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的件  模  條件,吳斌鑫”曾試算了大型紅泥膜沼氣池沼氣工程的機(jī)械葉輪變  規(guī)拌工況,比較了單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片側(cè)

件可以驗(yàn)證,只是一種初步探索  31,3攪拌能夠提升發(fā)酵效率機(jī)理的問(wèn)題  對(duì)用CFD模擬來(lái)改進(jìn)紅泥膜沼氣池沼氣料液攪拌的研究還  受制于一個(gè)根本性前提:攪拌為何能提升發(fā)酵效率,  究竟何種流場(chǎng)才能稱(chēng)作是優(yōu)秀的流場(chǎng)?由于目前這  個(gè)根本機(jī)理尚不夠清晰,所以大多數(shù)學(xué)者暫時(shí)只能  以攪拌動(dòng)能或相分布在罐體內(nèi)相對(duì)均勻?yàn)閮?yōu)化的直  接目標(biāo)  也有少數(shù)學(xué)者提出了一些其它可能的  原因,比如羅濤認(rèn)為攪拌能夠促進(jìn)排砂,王玉  恒”認(rèn)為合適的拌能在發(fā)酵初期鏟除生物質(zhì)表  面的絮凝組織,使其露出密實(shí)部分。塔瓦雷斯提  出類(lèi)似觀點(diǎn),但進(jìn)一步認(rèn)為在多相流工況下,攪拌速  率越快,形成的生物膜越薄而致密,越有利于生物質(zhì)  傳輸,從而提高發(fā)酵效率。楊平5指出攪拌速率不  能一味增高,因?yàn)檫_(dá)到一定速率生物膜即開(kāi)始脫落,  所以應(yīng)該用CFD模擬確定一個(gè)合理的速率區(qū)間  但這個(gè)合理的速率區(qū)間到底是多少卻無(wú)人能夠回答,故而模擬工作也是缺乏根本依據(jù)的

3.2發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)當(dāng)前研究領(lǐng)域的主要進(jìn)展和面臨的問(wèn)題,利用CFD軟件模擬紅泥膜沼氣池沼氣料液攪拌流場(chǎng)、提升設(shè)計(jì)水平的研究主要有以下發(fā)展趨勢(shì)

(1)CFD方法的主要利用方向是優(yōu)化攪拌參數(shù),當(dāng)前研究領(lǐng)域最急需的是進(jìn)一步揭示攪拌能夠提升厭氧發(fā)酵效率的內(nèi)在機(jī)理,至少闡明攪拌在某

階段對(duì)某一關(guān)鍵因素的影響,從而明確攪拌的介質(zhì)、功率、時(shí)長(zhǎng)、時(shí)間間歇等基本參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)在此目標(biāo)明確的前提下,才能利用CFD方法得出優(yōu)化方案,提高設(shè)計(jì)水平。  (2)用更多先進(jìn)手段更加準(zhǔn)確地取測(cè)實(shí)際流場(chǎng)形態(tài),進(jìn)一步驗(yàn)證CFD模擬的可靠性。利用CP描繪流場(chǎng)形態(tài)圖,指導(dǎo)攪拌方案的設(shè)置,尤其是罐體  形狀、葉輪形狀射流器形狀等硬件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)隨著連續(xù)發(fā)酵的進(jìn)行,料液內(nèi)發(fā)生了復(fù)雜  的生物化學(xué)反應(yīng),物料的物性參數(shù)持續(xù)發(fā)生改變。能否在弄清這些生化反應(yīng)的基礎(chǔ)上,建立一種通用模型,以用戶自定義程序(UDF)形式加載到CFD軟件中去,準(zhǔn)確描述物料的物性參數(shù)變化,并將連續(xù)改變的參數(shù)加載到迭代運(yùn)算中去。

4結(jié)語(yǔ)

隨著電子計(jì)算技術(shù)的高速發(fā)展,桌面計(jì)算機(jī)的計(jì)算成本(包括硬件設(shè)備成本和計(jì)算時(shí)間成本)持續(xù)快速降低,各種先進(jìn)的檢測(cè)手段也多次驗(yàn)證了CFD模擬的真實(shí)準(zhǔn)確性,成為越來(lái)越方便實(shí)用的研究方法。根據(jù)不同發(fā)酵原料、攪拌形式、等工況條  件,其適用的算法模型也不盡相同。近十五年來(lái),  CFD方法在紅泥膜沼氣池沼氣領(lǐng)域得到極大應(yīng)用,各種工況適用  的算法模型得到細(xì)分,可供研究和設(shè)計(jì)人員選擇,更好地用于幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌方案。