专利名称：一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法
技术领域：
本发明属于环境工程技术领域，具体涉及ー种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法。
背景技术：
厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器是利用厌氧活性污泥处理废水、产生氢气的一个复杂的物理、化学、生物多反应系统，在气、液、固三相体系内部发生诸多生化反应。因此，对该厌氧反应器的研究有必要描述其内部的微生物学、化学和物理学特征。其中，反应器内的流场对生化反应的历程和过程也有很大影响，水力停留时间和循环流量直接影响底物转化率和产物收率等エ艺结果，速度场分布的均匀性影响反应器的有效容积，而局部流场的剪切作用则会对微生物细胞的生理状态发生影响。然而，目前对于该厌氧反应器的优化设计主要集中在生物和化学特征方面，较少从搅拌流场的物理特征及其对反应的影响方 面去优化反应器设计。计算流体力学通过计算机求解描述流体运动的控制方程，掲示流体运动的物理规律，研究流体运动的物理特征。计算流体力学也是ー门由多领域交叉而形成的一门应用基础学科，它涉及流体力学理论、计算机技术、偏微分方程的数学理论、数值方法等学科。随着相关技术的飞速发展，计算流体力学已逐渐作为ー种反应器流场研究新手段而日益受到重视并得以广泛应用。无论是在废水生物反应器的设计、运行管理、放大，还是在废水处理技术的研究和开发方面均有重要的使用价值。现在已经有很多的CFD商业化软件，它们提供有大量的物理模型、高效的数值解法和友好的用户界面，大部分还提供有程序接ロ，用户可以根据需要添加自己的模型。国内对废水处理反应器的流场机理研究较少，在实际设计中常是依据经验来设计，而设计中往往存在參数数据有限或是实际数据无法得到，使得反应器的设计带有一定的盲目性，很难进行最优化选择。在很多情况下，废水生物反应器的设计、放大、操作依赖经验要多于科学，利用ー些理想的、经验的关联式得到的结果很难体现实际流场对反应的影响，而对多种反应器进行实际尝试比较在经济与时间上都是不可实现的。因而需要有成熟的流体力学机理模型来对废水生物反应器模拟与仿真作为エ艺选择和反应器设计的理论依据，同时可以用于废水处理反应器的工程放大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法，以达到反应器内部水力流场的最优化设计。本发明提出的厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法，利用基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)技术的数值模拟软件,研究不同类型搅拌桨在不同桨槽径比和不同搅拌转速条件下反应器内部流场特性以及对制氢エ艺的影响；采用两相流模型获得了速度场、湍动能及其耗散率、生物气体积分率和剪切率分布等详细流场信息，并且根据各流场信息对制氢エ艺的影响，将模拟得到的不同的流场信息进行分析比较，从而确定最优的搅拌桨类型和搅拌转速组合，实现厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器内部水力流场的优化设计。具体步骤如下
I、前处理——几何建模与网格生成
利用Ansys ICEM CFD12. O按照厌氧生物制氢反应器的几何尺寸，对配置不同类型搅拌桨的厌氧生物制氢反应器进行三维几何建模和网格生成；其中
建模过程中将厌氧生物制氢反应器分为旋转域和固定域两部分分布建模。旋转域包括搅拌桨和一部分搅拌桨轴，以及旋转域边界以内的流体；反应器其他部分(如挡板，筒壁等)以及旋转域边界以外的流体作为固定域；忽略反应器内筒、三相分离挡板和溢流挡板的厚度，将其近似为薄表面结构；
网格生成采用非结构化四面体网格生成方法，并且采用局部网格加密对旋转域和固定 域两个计算区域中壁面附近的网格点重新布置，以确保网格质量和计算精度。为各模型选择并命名边界类型，导出配置不同类型搅拌桨的模型对应的网格文件。2、计算求解——计算域划分、计算模型选择、初值设置与迭代求解
(I)、计算域划分
采用多重參考系法，将厌氧生物制氢反应器分为旋转域和固定域两部分，分别对应旋转參考系和固定參考系，域边界采用液-液界面，Frozen Rotor模型用于关联旋转域和固定域。(2)、计算模型选择
选择模型基于以下假设忽略活性污泥的沉降特性，以均匀分布在反应器中的12个点源以一定流量导入直径为Imm的球形气泡，模拟厌氧制氢发酵过程中产生的生物气；将反应器中的流体简化为气液两相流。建立欧拉ー欧拉双流体模型模拟厌氧生物制氢反应器中气液两相流，建立湍流模型模拟搅拌流场，所述湍流模型采用标准湍动能——瑞动能耗散率(k_ e )模型。I)、模型控制方程
对于气液两相流体系，各相的连续性方程如下
权利要求
1.一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法，其特征在于包括前处理一几何建模与网格生成；计算求解一计算域划分、计算模型选择、初值设置与迭代求解；后处理一流场信息获取与优化选择；具体步骤如下 (一)、前处理一几何建模与网格生成 利用Ansys ICEM CFD12. O按照厌氧生物制氢反应器的几何尺寸，对配置不同类型搅拌桨的厌氧生物制氢反应器进行三维几何建模和网格生成；其中 建模过程中将厌氧生物制氢反应器分为旋转域和固定域两部分分别建模；旋转域包括搅拌桨和一部分搅拌桨轴，以及旋转域边界以内的流体；厌氧生物制氢反应器其他部分以及旋转域边界以外的流体为固定域； 网格生成采用非结构化四面体网格生成方法，并且采用局部网格加密对旋转域和固定域两个计算区域中壁面附近的网格点重新布置，为各模型选择并命名边界类型，导出配置不同类型搅拌桨的模型对应的网格文件； (二)、计算求解——计算域划分、计算模型选择、初值设置与迭代求解 (1)、计算域划分 采用多重参考系法，将厌氧生物制氢反应器分为旋转域和固定域两部分，分别对应旋转参考系和固定参考系，域边界采用液-液界面，Frozen Rotor模型用于关联旋转域和固定域; (2)、计算模型选择 建立欧拉一欧拉双流体模型模拟厌氧生物制氢反应器中气液两相流，建立湍流模型模拟搅拌流场，所述湍流模型采用标准湍动能——湍动能耗散率(if - O模型； 1)、模型控制方程 对于气液两相流体系，各相的连续性方程如下 ^^ + ▽ (agPguJ = 0(O + V ■= O(2) dt ' 其中 为时间1为密度，"为速度、是相含率，下标g和 I分别代表气相和液相，相含率遵循如下约束条件 + CKi = I(3) 气液两相流中各相的动量输运方程如下Jt (iV3A) + 7 · hOwJ = — aSvP + agPgS + V· [αεμε(Vug + (Vug J))+ Mhgl (4) 基(αιΡ ) + ▽·(* CtWi)) = + ^1P1E· (q 气(7 + (V^f ))+M/Jg (5) 其中/7为压力 为重力加速度，#为有效粘度，Aij为界面作用力项； 2)、相间作用力方程所建模型中，产生的生物气与液相相界面的作用力被考虑在内，并且通过在动量方程中添加界面作用力项Ai1的方式来实现，具体见公式4和公式5 ;对于气一液两相流体系而言，相间界面作用力主要包括曳力、升力和湍流扩散力； 动量方程中气液界面作用力项关系表示为
全文摘要
本发明属于环境保护技术领域，具体涉及到一种厌氧连续流搅拌槽式生物制氢反应器的优化设计方法。具体步骤为利用基于计算流体力学技术的数值模拟软件，研究不同类型搅拌桨在不同桨槽径比和不同搅拌转速条件下反应器内部流场特性以及对制氢工艺的影响；采用两相流模型获得了速度场、湍动能及其耗散率、生物气体积分率和剪切率分布等详细流场信息，并且根据各流场信息对制氢工艺的影响，将模拟得到的不同的流场信息进行分析比较，从而确定最优的搅拌桨类型和搅拌转速组合，为搅拌槽式反应器的优化设计提供一种行之有效的方法。本发明技术成熟，避免了利用经验或半经验关联式的方法对反应器进行水力设计的盲目性，并且具有优化效果直观，优化周期短，节约成本等优点。
文档编号G06F17/50GK102855342SQ20121007693
公开日2013年1月2日 申请日期2012年5月29日 优先权日2012年5月29日
发明者张冰, 杨海真 申请人:同济大学