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

計算機數值模擬方法可以幫助人們在一定程度

上掌握攪拌的流動過程和流場形態,從而指導優化設計攪拌形式6),大幅提升攪拌效率。目前紅泥膜沼氣池沼氣學界應用最廣的流體力學數值模擬方法是計算流體動力學( Computational Fluid Dynamics,  以下簡稱CFD)方法,十五年來,紅泥膜沼氣池沼氣學界大量應用該方法  及相關成熟商業軟件,在流場形態的研究方面取得  了極大進展,是21世紀以來紅泥膜沼氣池沼氣學界較為先進的  個研究方向8。CFD方法的主要問題是構建模型、  數值計算和結果輸出三大方面,其中數值計算方法

是最核心的問題。紅泥膜沼氣池沼氣工程的攪拌介質、形式、原料  相態等工況多種多樣,適用的計算方法也千差萬別,  研究人員對此進行了深人研究并進行了詳細的分  類。作為一種模擬技術,CFD的計算結果準確性需  要現代檢測技術的驗證。近年來,紅泥膜沼氣池沼氣學界在這方  面也取得了長足進步,并反過來促進了算法模型的  進一步改進,使之更加精準地適用于各種工況。本  文主要針對學界在計算方法尤其是在適用工況方面  的研究作出綜述。

1算法模型的研究進展

1.1湍流模型

湍流算法是CFD模擬的基礎,目前已經形成了  許多相當成熟的算法可供選用,但仍然存在一些爭  議。學界最常用的計算軟件是 ANSYS公司在2006  年發布的 Fluent6.3,該軟件內置的湍流模型是  Launder和 Spalding創立的經典ke模型”,該模型  計算較為準確且運算經濟,是當前工業領域最常用  的湍流算法。近年來也出現了許多適用于特殊工況  的細微修正版本如 Standard k=e,SsT-k-g,RNGk-e  和 realizable k-g等。吳斌鑫總結了12種修正的  湍流模型,劃分其適用的雷諾數范圍,指出紅泥膜沼氣池沼氣料液  的攪拌是一種低雷諾數湍流,最適合采用 SST-k-E模型。韓國首爾國立大學的 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低雷諾數湍流模型的方差值認為 Chang- Hsieh-Chen版本的低雷諾數ke模型是表現最好的

1.2建立網格模型的方法

建立網格模型是CFD模擬計算最重要的前置

作,往往耗費的時間比計算本身還要多1。Karim指出,網格密度對計算結果的精確度有細微影響,但趨勢是非常相近的,不會有本質區別。所以,研究者可以根據計算能力的實際情況,適當調整引格密度。李英博列舉了21種工況適用的網格構建方法,并在當前計算機性能的背景下建議了網格密度。 Hong Se-won-)試算了一種超大型罐體的網格建模方法,將巨大的液柱切分成16截,分別以高密度網格進行計算,最后再匯總,取得了較為精確的結果,為過于龐大的模型計算提供了良好借鑒。不過李英博和 Hong Se-Woon等不少韓國學者也審慎地指出,目前利用CFD對紅泥膜沼氣池沼氣工程攪拌流場進行數值模擬計算還存在諸多缺陷,最主要

的是CFD且前還局限于流動性方程,不能增加生  物、化學反應的鏈接,無法表現物料物性參數持續發

生變化的過程。  1.3CFD模擬計算仿真準確性的驗證  cFD是一種模擬計算,其仿真準確程度一直受  到關注,而由于紅泥膜沼氣池沼氣發酵都需要在厭氧環境下進行,  容器嚴格密閉,非常難于準確取測其流動參數。但  近年來學界采取了許多辦法,在很大程度上驗證了CFD模擬計算的準確性  早在1974年,Veho就嘗試過在嚴格密閉  的厭氧發酵罐中布置測點取測流速。但由于當時技  術條件所限,實驗并不成功。2010年,吳斌鑫利  用了現代水下測速元件,在一個簡單的罐體內布置  了幾個測點取測其流速,并證實能夠與CFD計算的  預測值相吻合。 Karim(2則利用計算機斷層掃描  (CT)、計算機自動放射性粒子跟蹤( CARPT)等先  進方法,穿透罐壁遙感取測攪拌時的真實流場圖形  并與CFD模擬結果之圖形進行對比,驗證了CFD  模擬的真實性和精確性。 Vesvikar和 AI-Dahhan2  在Kaim的基礎上,用示蹤粒子的流向、平均流速、  湍流動能、切應力、粒子循環時間、氣體升流分布六  個方面的實測數據與CFD計算數據相比較,證明了  CFD計算的結果是與事實相吻合的。 Rauen23利用3D多普勒超聲波測速計測量了厭氧發酵罐內的流場,發現與CFD計算結果有很好的吻合性,典型混  合區域有90%以上的準確率,再次證明了CFD方法的準確性  近年來,中國較多地采用P方法2-2來驗證CFD模擬的準確性,但效果不甚理想。除此之外,河海大學的韓丹嘗試用激光多普勒測速LDV)方法測流速,但LDV是一種光學測速方法,紅泥膜沼氣池沼氣料液的成分太過復雜,而且污染物原料往往是不透明的,所以很難測準。北京化工大學的黃雄斌劉用雙電極電導針方法測量局部連續相(液相)的流速,取得了與CFD模擬較好的吻合性,并且發現多相流工況下,改變攪拌參數主要是改變固相的流場,液相流場與清水單相流的流場相比變化并不大。西安建筑科技大學的李志華采用了一種創新方法,他用吖啶橙染色法對微生物中的RNA和DNA染色,通過染色情況分析微生物活性的空間分布。結果表明,攪拌系統中污泥絮體結構松散,粒徑細小,但具有良好的沉降性能;攪拌系統中RNADNA(以熒光的相對面積表征)和脫氫酶活性均高

于無攪拌系統,說明適度攪拌可以提高污泥厭氧消  化系統中微生物活性。

2各種工況的適用算法

2.1單相流算法模型

單相流是CFD模擬中最簡單的一種算法,對于  一個攪拌方案而言,水單質的流場是其基本流場形態。如果發酵原料能夠充分溶解于水,亦無妨將其溶液視為一個單相,在CFD模擬中采取單相流計算,極大節約運算成本。其流體流動連續性方程如下  [13]

2.2多相流算法模型

很多學者認為多種原料可以相互促進厭氧發酵  反應,比各自單獨發酵效率高得多-41,所以紅泥膜沼氣池沼氣  工程常使用多種相態的原料進行混合發酵。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。吳國榮認為紅泥膜沼氣池沼氣從料液中產生后,以氣泡形式浮出液面的過程也足以對料液產生攪拌作用氣泡在CFD模擬中可處理成非連續氣相大顆粒連續流,這種情況下還容易出現包括氣、液固三種相態的多相流

目前在紅泥膜沼氣池沼氣領域常用的多相流計算方法有兩  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  為連續相,將流場中的粒子處理為離散相,求解時直  接求解時均納維斯托克斯(N)方程,再單獨計算

粒子的軌跡,運算成本很低。不過離散相模型要求  粒子在流場中所占的體積分數非常低,甚至低到可  以忽略的地步。這其實更適合大氣懸浮污染物的計  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算動能,不計算  相分布(濃度場),這在很多時候無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相都處理為  相互貫穿的連續流,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酵料液模擬的方法,因為紅泥膜沼氣池沼氣發酵原料常以顆粒形式出現  在歐拉歐拉法的三種模型中,體積分數模型是運算成本最低的一類,但該模型是通過計算各個流  體相在網格內的體積分數函數來實現運動追蹤的  在每個網格內將兩相作為混合相一起求解,而不是  兩相分別連續求解,所以精度最低,一般只適用于相  間無穿插的分層流動工況。一些不同發酵原料不溶  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  合相運動狀態后,再通過相間相對速度來描述離散相的運動狀態。這種算法比較適用于離散相的離散速度很小,意即在運動狀態仍能保持很高均勻度的流場。但紅泥膜沼氣池沼氣工程的流場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,所以該模型在沼  氣領域應用非常少。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組獨立的連續性方  程和動量方程,分別計算各個相的連續運動狀態,并  考慮相間作用力,是最精確的一種模型,不過也是所  有多相流模型中運算成本最高的一個。事實上,沼  氣發酵料液的固液兩相運動確實有一定的分離性  質,所以很需要分別精確計算。正因如此,吳斌

鑫(4認為歐拉模型是最適用于紅泥膜沼氣池沼氣發酵料液混合攪拌流場數值模擬計算的多相流模型。

需要提醒的是,在長期的  的物理形態會發生改變,比如精桿在初期是典型的  不溶于水粗大顆粒,但隨著發酵的持續進行,后期會  轉化為假塑性流體“,這時適用的模型將會從體積  分數模型轉變為混合模型。類似情況需要研究人員

充分考慮  總結當前的研究進展來看,筆者傾向于贊同吳

斌鑫的觀點,認為只要運算成本滿足,氣混合發醇  的多相流流場形態模擬計算都應該采用歐拉模型。  值得注意的是計算機的計算能力是有限的,在  CFD模擬中不能無限度地細分發酵原料的種類,設

置太多的相,而只能將相態相近的原料近似處理為  個相,得到它們的近似共同運動形態。

3當前研究的問題和趨勢

3,1面臨的問題  十五年來,學界在利用CFD方法提升紅泥膜沼氣池沼氣工程  設計水平方面取得了長足的進步,但仍存在不少問

3.1.1模擬準確性的問題

該領域研究首要的問題仍是模擬準確性的問題。盡管大量研究利用各種方法驗證了CFD模擬的真實性,但紅泥膜沼氣池沼氣發酵原料種類復雜,研究者只能粗略地創造少量幾個自定義介質來近似地表示發酵原料。但事實上發酵原料在發酵過程中存在著持續不斷的相變,如何準確地確定模擬介質的物性參數始終是一個難題。日前業界的做法多是取料液某個時點的狀態作為模擬對象。

Karim14認為流體的粘性系數并不影響流態,但吳斌鑫“不贊同,認為牛頓流體和非牛頓流體的算法應該是不同的,黃如一“也認為紅泥膜沼氣池沼氣厭氧發酵的時間很長,物料的形態會隨著發酵的持續進行而發生改變,實驗中甚至會出現固態原料最終轉化為假塑性流體的情況。白衛東指出,溫度、pH值以及連續投料都會改變介質的流變特性,在模擬計算中應予考慮。而從工程角度講,粘性料液會在一些關鍵通道發生粘滯甚至阻塞現象,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酵罐內攪拌中的流變特性,認為可以作為某些特殊發酵原料的模擬計算方法

3.1.2模擬計算能力的問題

其次是CFD模擬計算能力受制計算  的進步。最初紅泥膜沼氣池沼氣發酵罐小面簡單,但近年來開始的一  一排張聯甲沿買某s帝YB

優  ),使罐體形狀的準確模擬變  雜。另一方面,大型罐體的試算不具備實驗驗證的件  模  條件,吳斌鑫”曾試算了大型紅泥膜沼氣池沼氣工程的機械葉輪變  規拌工況,比較了單葉片、雙葉片、三葉片、四葉片側

件可以驗證,只是一種初步探索  31,3攪拌能夠提升發酵效率機理的問題  對用CFD模擬來改進紅泥膜沼氣池沼氣料液攪拌的研究還  受制于一個根本性前提:攪拌為何能提升發酵效率,  究竟何種流場才能稱作是優秀的流場?由于目前這  個根本機理尚不夠清晰,所以大多數學者暫時只能  以攪拌動能或相分布在罐體內相對均勻為優化的直  接目標  也有少數學者提出了一些其它可能的  原因,比如羅濤認為攪拌能夠促進排砂,王玉  恒”認為合適的拌能在發酵初期鏟除生物質表  面的絮凝組織,使其露出密實部分。塔瓦雷斯提  出類似觀點,但進一步認為在多相流工況下,攪拌速  率越快,形成的生物膜越薄而致密,越有利于生物質  傳輸,從而提高發酵效率。楊平5指出攪拌速率不  能一味增高,因為達到一定速率生物膜即開始脫落,  所以應該用CFD模擬確定一個合理的速率區間  但這個合理的速率區間到底是多少卻無人能夠回答,故而模擬工作也是缺乏根本依據的

3.2發展趨勢

根據當前研究領域的主要進展和面臨的問題,利用CFD軟件模擬紅泥膜沼氣池沼氣料液攪拌流場、提升設計水平的研究主要有以下發展趨勢

(1)CFD方法的主要利用方向是優化攪拌參數,當前研究領域最急需的是進一步揭示攪拌能夠提升厭氧發酵效率的內在機理,至少闡明攪拌在某

階段對某一關鍵因素的影響,從而明確攪拌的介質、功率、時長、時間間歇等基本參數的優化目標在此目標明確的前提下,才能利用CFD方法得出優化方案,提高設計水平。  (2)用更多先進手段更加準確地取測實際流場形態,進一步驗證CFD模擬的可靠性。利用CP描繪流場形態圖,指導攪拌方案的設置,尤其是罐體  形狀、葉輪形狀射流器形狀等硬件的優化設計。

(3)隨著連續發酵的進行,料液內發生了復雜  的生物化學反應,物料的物性參數持續發生改變。能否在弄清這些生化反應的基礎上,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,準確描述物料的物性參數變化,并將連續改變的參數加載到迭代運算中去。

4結語

隨著電子計算技術的高速發展,桌面計算機的計算成本(包括硬件設備成本和計算時間成本)持續快速降低,各種先進的檢測手段也多次驗證了CFD模擬的真實準確性,成為越來越方便實用的研究方法。根據不同發酵原料、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,  CFD方法在紅泥膜沼氣池沼氣領域得到極大應用,各種工況適用  的算法模型得到細分,可供研究和設計人員選擇,更好地用于幫助優化設計攪拌方案。