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利用CFD工具优化设计沼气工程流场形态的方法研究
时间 : 2019-03-09 浏览量 : 34

搅拌是现代沼气工程必不可少的操作单元,可大幅提高沼气工程发酵效率,提升产气率和污染物去除率  [1-2]  但由于沼气工程发酵必须在严格密闭的条件下进行,设计人员无从掌握搅拌时的流场形态,缺乏优化设计的依据,往往只能凭经验设计搅拌方式,有可能并不适用于其罐体形状和原料特性3,一些粗劣的搅拌工艺对发酵效率的提升收效甚微,甚至反而消耗更多能源。现在计算机数值模拟方法可以在很大程度上解决这个问题,沼气工程发酵料液的搅拌本质上是在外力作用下的流动过程,数值模拟计算可以帮助人们掌握其理论上的流动过程和流场形态。而随着现代计算机技术的持续发展,沼气工程发酵


装置内部流场的精确计算也变得越来越简便可行5。目前沼气学界应用最广的流体力学数值模拟工具是计算流体动力学( Computational Fluid Dynamics,CFD)。2002年,美国北卡罗莱纳州立大学的弗雷明6( JG Fleming)发表了题为《 Novel simulation of anaerobic digestion using computational fluiddynamics》的博士学位论文,是第1篇系统论述利用CFD方法研究沼气工程发酵料液混合搅拌流场形态的论文。此后,沼气学界大量应用该款成熟商业软件,在流场形态的研究方面取得了极大进展。尽管由于搅拌提升沼气工程发酵效率的根本机理尚不够清楚,所以关于搅拌的具体方法,学界尚存一定争议刀。但


是,利用CFD工具,研究人员可将搅拌所形成的流  场可视化,从而更加精确地验证和指导搅拌方式  的设计0,使沼气料液搅拌领域的研究在很大程  度上摆脱了不可视条件的束缚,提升至更科学、精准  的可视化、数量化研究层面上来,是21世纪以来沼  气学界较为先进的一个研究方向  国内外一些研究表明CFD可以较为精确地模  拟出沼气工程发酵料液的流场形态。 Vesvikar模拟计算  了料液的流向、平均流速、湍流动能、切应力、粒子循  环时间气体升流分布6个方面的数据,并用粒子示

踪法加以验证,证明了CFD计算的结果是与事实相  吻合的,表明CFD方法可以精确模拟料液流场形态2。在此前提下,Karm将合速度绝对值低于最  高值5%的区域定义为“弱搅拌区( poorly mixing

aone)”,并计算了某流场的弱搅拌区,评价了流场的  优劣,并初步指出影响弱搅拌区大小的因素。

Mehul s. Vesvikar用CFD试算了大量搅拌方案后


发现流场最差的情况下,弱搅拌区占罐体总体积的


比例可以高达59.7%1,可见优化潜力巨大。而吴斌鑫则将合速度绝对值低于0.001m  域定义为“死区( dead zone)",并通过CFD模拟计算验证了死区就是搅拌动能的死角,就算增大射流初速度,甚至将初速度增大到5.7m·s-这样的极端情况,亦只能使非死区的动能更加充沛,却并不能减少死区所占的空间。这也提示了笔者,一味加搅拌功率并不能改善流场形态,而只能通过优化设计来改善。但就目前的研究进展来看,学界找到了一些利用CFD方法掌握流场形态的方法并用于研究,但在利用CFD改进沼气工程设计的实践应用方面仍有较大欠缺


笔者试图通过一次利用CFD方法模拟构建沼气厌氧发酵装置流场形态,从而优化设计搅拌流场的典型范例,阐述底部进水和分散式出口整流布水工艺对打破沼气工程静态发酵,重新构造流场的作用,同时介绍利用CFD优化设计沼气工程发酵料液搅拌流场的步骤方法


1模拟对象与数学模型


1.1模拟分析对象与条件


笔者首先构建一个具有底部和侧面两个孔洞的闭式循环系统,通过泵提供动能,形成循环搅拌。由  于本文研究对象仅限于沼气工程发酵罐内的料液部分


不考虑气体部分和闭式循环系统的其余部分,所  仅仅将100m高的料液部分作为模拟计算的象,所以模型简化为1000m高的液柱和两个直径100m的圆形孔洞,如图1所示。


沼气工程发酵料液成分复杂,但多为低浓度溶液Kaim认为液体的粘性系数并不影响流态,所以绝大多数料液包括固液多相流的基本流场形态均是与纯水流场相似的。笔者首先计算水在沼气工程发酵装置中的基本流态,用普通的水作为介质,模拟说明各种沼气工程发酵装置中流体的基本流态,然后掌握其  基本流场形态特征,作为罐体优化设计的基本依据1.2数学模型  由于现阶段模拟计算仅以水为介质,所以采用  单相流方法求解,其流体流动连续性方程如下


2速度入口方向的选择


2.1关于搅拌方式的选择  根据邱凌的研究,动态发酵比静态发酵年均  产气量提高31.0%~72.4%。而根据杨浩、邓良  伟等的研究综述,说明业界已经明确搅拌确实有  利于沼气工程发酵。但关于搅拌的方式尚存一定争议,  Khursheed Karim(30比较了叶轮机械搅拌、水力搅拌  和气动搅拌3种方式,指出在低浓度下,不同搅拌方  式对提升产气率的效果均不明显,但TS浓度(干物质浓度)达到10%时,3种搅拌方式下的产气率则  分别比不搅拌高22%,29%和15%,说明水力搅拌或是最佳方式。而关于搅拌功率输入的部位,则主  要存在侧插式搅拌和底部搅拌两种争议2-21。现将水力搅拌的水力速度入口分别设于侧面和底部,用CFD模拟计算其流化效果,并进一步试算其优化模型,以作比较分析。


2.2侧面进水,底部出水


置边界条件为入口速度1m·s-1,并设置重


力加速度为9.81m·s-2,通过模拟结果图3,图4看,流速分布很不均匀,进水口和出水口之间的水力通路明显,其余区域尤其是高位的流速则非常低。

截取高度为0.2m和0.8m的两个截面作比较,通过图5和图6看,高位的流速远远小于低位。这可能是因为重力加速度指向初速度的垂直方向所以加速度偏向非常严重。


2.3底部进水,侧面出水  转换速度入口和压力出口,即形成底部进水,侧  面出水的格局。边界条件和重力加速度等操作条件


与2.2相同。通过模拟结果图7,图8看,流速分布仍不是非常均匀,但比上一种搅拌方式有明显提升,尤其是在位置较高的区域。


通过模拟结果图9,图10看,高度为0.2m和  0.8m的两个截面流速差距比上一种搅拌方式小很  多,这可能是由于重力加速度指向初速度的竖直方  向,所以没有造成加速度严重偏向某一侧方面。2.4底部进水是最佳搅拌方式  通过以上两种进水方向的比较,显见底部进水


的方式下,整个区域的流场分布更均匀,搅拌的影范围更大。可见在水力搅拌的部位选择问题上部搅拌比侧插式搅拌更优。


3压力出口优化设计




3.1分散式出口设计


从前文的模拟结果看,进水口和出水口距离太近,容易形成短且单一的水力通路,导致料液滞留时


间短,流化区域小,高于侧面出水管的部分流速急剧  降低,大部分区域速度接近于0,显示未形成全区域  的理想流化效果。考虑改变设计,将出水管抬高至离底面0.8m处,并设计4个出口,如此则有望在区域中形成多个流通环路,实现速度、压力、分流量的再分配,如图11所示。


3.2模拟优化设计方案的基本流场

根据优化的设计方案模拟底部进水方式的流场,仍采用控制容积法划分网格,按每边300个网格设置,共生成2921029个网格,其网格模型如图12所示。

设置边界条件为入口速度1m·s-1,设置重力加速度为9.81m·s2。通过模拟结果图13,图14看,优化设计下,较高区域获得的动能远比原设计多,速度分布均匀得多。

而通过模拟结果图15,图16看,高度为0.8m的截面流速比高度为0.2m的截面更高,而且各自的分布都很均匀。这意味着大量的动能被输送到高位,在实际工况中,不溶于水的发酵原料会被带至


4结果与讨论


笔者以1个小型沼气工程发酵装置为例,完整展示了利用CFD数值模拟可视化研究沼气工程发酵料液流


场形态,并以之为依据优化设计罐体和搅拌形态的  方法。在本算例中,笔者通过直观可见的模拟流场  形态分析,首先说明了底部进水相比侧面进水的优  势,阐明了进水加速度方向应该逆重力方向的原理。  其次通过分散式压力出口与集中式压力出口的流场  分析,闸明了高位分散式压力出口设计可以将动能  扩散到更广阔空间,从而优化流场形态的原理。综  合以上改进步骤,便是一个沼气工程发酵装置流化方案  的优化设计过程,这应该成为沼气工程设计的主流方法,为广大设计人员所掌握  另一方面,沼气工程发酵料液成分非常复杂,但以水  为介质的CFD模拟可以作为流场设计的基本依据  普遍适用于大多数液态发酵原料。一些以动物粪便  为主要发酵原料的工况,可以将粪便原料处理成固  体颗粒,与水形成固-液两相流工况进行多相流模拟  计算。但这种算法下液相的流场形态仍是与基本流  场形态高度相似的,而且改变搅拌参数也只影响  固相的流动形态,对液相的影响并不大3),所以掌  握以水为介质的单相流模拟结果,就在很大程度上  掌握了这种罐型和流化方案的基本流场形态,对优  化设计具有重要指导意义。即便该沼气工程发酵装置改  变工况,采用不同的发酵原料,其基本流场仍在设计  人员的掌握中,可以根据原料流变特性有依据地调整流化方案。所以,在工程设计中,设计人员应该首先充分利用CFD方法掌握以水为介质的基本流场形态,才能以此为依据,进行优化设计,但目前CFD

法还较多地停留在科研领域,在工程设计领域应用太少,这正是沼气行业亟待加强的一个方面

在下一步工作中,笔者还将进一步介绍各种复杂多相流流场形态的分析及其优化方法,为更多更复杂发酵原料的工艺提供指导


水力搅拌时,若速度入口与重力方向形成较大  夹角(如垂直),则加速度偏向一侧,导致流场分布  不均,所以应该使速度入口尽量与重力方向相反,这  样既避免加速度偏向一侧,又可以借助重力在搅拌  的时间间歇形成上下翻滚

传统设计理念中,为方便出渣,出渣管往往设计  得很低,接近发酵罐底部。但在水力搅拌条件下,压  力出口应该设计得尽量高,才有利于避免过短的水  力通路,扩大水力搅拌的影响范围,促进全区域的充  分均匀混合


设计多个出渣口,实际形成多个压力出口,可在  发酵罐内部形成多个流通环路,并相互交叉,实现流  速、压力、分流量的再分配,极大优化罐内的流场形态  CFD数值模拟方法可以将肉眼不可见的流场  形态用图形展示,可以让设计人员在一定程度上掌  握流场,从而帮助优化设计搅拌,应成为沼气工程流场设计的主流方法。


摘自《中国沼气》2018第一期 冯琳 郭亭 赵鑫 罗涛 梅自力 龙燕 黄如一


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