（热能工程专业论文）基于场协同的相切套管式光生物反应器的流场模拟及优化.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘摘 要要 微藻作为生物质能的能源之一，具有强大的节能减排优势。用于培养微藻的 光生物反应器近几年的发展非常迅速，其中，管式光生物反应器相比于其他光生 物反应器，具有产量高和可以扩大培养的优势，但是， 其传质弱、条件不易控制、 贴壁生长和光对管径的影响等缺点限制了此类反应器的推广。而目前，许多研究 学者设计了不同类型的光生物反应器和不同形式的混合方法， 通过培养实验来验 证微藻生长情况和固碳效率。但是，这些方法和构造是否达到了培养环境的最优 化，是不确定的。 因此，本文首次初步地将场协同理论应用于培养微藻的环境优化上，以产生 纵向涡为思想并结合已有的管式和抛物线形， 提出了新型相切套管式光生物反应 器；同时，对该反应器进行模拟得到最优结构和运行条件，并与课题组的套管式 光生物反应器的模拟结果对比，从而预测相切套管式光生物反应器的培养效果。 经过结构优化的模拟和对两种反应器的模拟对比分析，我们得出如下结论： 1、经过模拟，相切套管式光生物反应器内部产生了纵向涡，符合了场协同 理论，初步达到了强化传质的目的。 2、 向下 30 曝气方向和曝气率为 0.7 vvm 的参数， 更有利于暗区的混合扰动， 且截面平均|cos|值达到 0.656，使光照方向和速度场之间的协同程度最好，从而 加强了光照方向的混合，提高了气液传质效率，并使细胞可以在光暗区游动而提 高光合效率。 3、实际的培养实验中，我们通过预培养实验得出，选用 bg-11 培养基和普 通小球藻进行下一步光生物反应器的扩大培养实验；目前实验台已搭建，管段加 工后即可进行扩大培养实验。 4、相切套管式光生物反应器的平均径向速度和|cos|，普遍大于套管式光生 物反应器和文献数据，因此相切套管式光生物反应器的混合效果更好。 5、套管式光生物反应器的培养实验显示，在扩大培养上有一定优势；而本 文的相切套管式光生物反应器的传质混合上均优于套管式反应器， 因此在培养实 验中，相切套管式光生物反应器将具有更大的扩大培养的潜力。 关键词：关键词：微藻 相切套管 光生物反应器 场协同 数值模拟 abstract microalgae as a kind of biomass energy resources, has a tremendous potential for energy conservation and emission reduction. the photobioreactors for microalgae cultivation are developing rapidly in recent years. among them, the tubular photobioreactor has some advantages such as high output and suitable for large-scale cultivation, compared with other photobioreactors. however, it has some disadvantages which limited its development such as weak mass transfer, hard to control conditions, adherent cells and small pipe diameter limitation etc. recently, many researchers designed different types of photobioreactors and mixing methods to check the cultivation effect. however, whether the structures and mixing methods can make the conditions optimal was uncertain. therefore, this paper first utilizes the field synergy principle in optimization of microalgae cultivation environment. combined the parabola structure and pipe photobioreactor, a novel tangent tube-in-tube photobioreactor is designed to generate longitudinal vortexes. at the same time, the novel tangent tube-in-tube photobioreactor structure is simulated and optimized. the concentric-tube photobioreactor is also simulated, then compared with the tangent tube-in-tube structure in order to forecast the cultivation effect of the tangent tube-in tube photobioreactor. after simulations and comparison of two photobioreactors, we draw a conclusion that: 1. after simulation, longitudinal vortexes were generated in the tangent tube-in-tube reactor according with the field synergy principle, preliminarily enhancing mass transfer. 2. downwards 30 aeration direction and aeration rate of 0.7vvm were more advantageous to the mixing effect in the dark zone, and the average |cos| of the section was 0.656, making the synergy extent of light direction and velocity field best, in order to improve the gas-liquid mass transfer efficiency, and make cells swimming between the light and dark zones to enhance photosynthetic efficiency. 3. in the experiment of microalgae cultivation, we got the results that bg-11 culture medium and chlorella sp. were most suitable to the next large-scale cultivation. now the expermental table has been already constructed and the cultivation experiment will begin up after the reactor processing. 4. the average radial velocity and |cos| of the tangent tube-in tube reactor were bigger than that of the concentric-tube reactor and articles. thus, the mixing effect of tangent tube-in-tube reactor was better. 5. experimental cultivation results of the concentric-tube bioreactor showed that it has advantages in large-scale cultivation. however, the tangent tube-in-tube reactor was better than it in the mixing effect, so the tangent tube-in-tube reactor has greater potential in large-scale cultivation. key words：microalgae, tangent tube-in-tube, photobioreactor, field synergy, numerical simulation 目 录 第一章 绪论. 1 1.1 能源微藻的研究背景及现状 . 1 1.1.1 能源微藻的研究背景 . 1 1.1.2 能源微藻的研究现状 . 2 1.2 影响能源微藻固碳产油的环境因素 . 4 1.2.1 光周期的影响 . 5 1.2.2 co2浓度的影响. 5 1.2.3 温度的影响 . 5 1.2.4 ph 的影响 . 6 1.2.5 培养基成分的影响 . 6 1.3 光生物反应器的研究现状 . 6 1.3.1 开放式系统 . 6 1.3.2 板式光生物反应器 . 7 1.3.3 柱式光生物反应器 . 7 1.3.4 管式光生物反应器 . 8 1.4 本文工作的研究意义和内容 . 9 第二章 场协同理论发展及应用 . 10 2.1 场协同理论的提出. 10 2.2 场协同理论在传热上的应用现状. 11 2.3 场协同理论在传质上的应用现状. 11 2.4 场协同理论用于微藻培养环境优化的可行性 . 12 2.5 本章小结 . 14 第三章 新型相切套管式光生物反应器的设计 . 15 3.1 传统管式光生物反应器的特点 . 15 3.2 新型相切套管式光生物反应器的设计及结构 . 16 3.2.1 设计依据. 16 3.2.2 相切套管式光生物反应器的结构和特点 . 20 3.3 本章小结 . 21 第四章 相切套管光生物反应器的模拟、结构优化和实验设计 . 22 4.1 数值计算模型的建立 . 22 4.1.1 cfd 技术的介绍 . 22 4.1.2 多相流和湍流模型的介绍 . 23 4.1.3 光生物反应器的数值模拟研究现状 . 25 4.1.4 数学模型的建立 . 26 4.1.5 数值模拟的设置及初始边界条件 . 27 4.2 相切套管式光生物反应器的模拟结果及结构优化 . 28 4.2.1 不同曝气方向的对比 . 28 4.2.2 不同曝气率的对比 . 33 4.3 相切套管式光生物反应器的实验设计 . 36 4.3.1 微藻的预培养初步实验. 36 4.3.2 相切套管式光生物反应器的微藻培养实验设计 . 40 4.4 本章小结 . 43 第五章 相切套管结构和套管结构的模拟对比及实验预测 . 44 5.1 模拟结果的对比 . 44 5.1.1 套管式光生物反应器的结构及模拟条件 . 44 5.1.2 径向速度的对比 . 44 5.1.3 |cos|的对比 . 46 5.2 套管式光生物反应器的实验结果. 48 5.2.1 实验材料和方法 . 48 5.2.2 实验结果和文献的对比. 48 5.3 本章小结 . 50 第六章 结论和展望 . 51 6.1 结论. 51 6.2 展望. 52 参考文献 . 53 发表论文和参加科研情况说明 . 59 致 谢 . 60 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 能源微藻的研究背景及现状 1.1.1 能源微藻的研究背景 科技的飞速发展致使了能源危机和环境污染问题愈发严重。传统化石燃料的 开采利用导致温室气体的大量排放，造成全球气温上升、海平面上升和气候异常 等各种危机。为了解决日益严重的环境问题，人们不断探索研究新型的可再生能 源来替代传统能源。其中，生物质能被认为有很大的研究价值。 生物柴油属于一种可再生能源，为了推动能源发展并减轻环境污染，大量学 者已经开始致力于研究生物柴油。目前，生物燃油的原料主要来自植物油、动物 油脂、废弃食用油等1,2。其中，利用植物油提取生物柴油消耗量大，而且周期 长，还要占用大量耕地面积，并受到环境影响，因此植物油制取生物柴油不是长 久的计划。因此，选择合适且低成本的原料成为生物柴油发展的关键问题。 目前，能源微藻作为生物质能之一，其发展日益成为解决能源危机的一个焦 点。微藻是一类单细胞群体，其种类较多，分布较广，主要分布在海洋、淡水湖 泊等水域3。微藻与其他植物相比，具有更高的生长效率、更快的生长周期和 co2固定能力以及更高的油脂产量4。一般的高等植物种子所含的脂肪酸为其干 重的 15-20， 而在一些藻类中大多含有 30-50左右脂类， 有些甚至高达 85 5。而且，各种微藻每年固定的 co2 可以达到全球净光合产量的 40，可见， 微藻在转化能量和固碳循环中起到非常重要的作用6。 培养微藻不必占用大量的耕地面积，可以根据不同藻种的适应性，充分利用 现有的环境，如盐碱地、沿海浅滩、污水源等环境。chisti y7得出，如果通过 种植含油作物来满足美国一半的交通燃料需求，需要占用美国 50%的耕地面积， 如果换为微藻，则只要 4%的耕地面积。由此看来，微藻具有巨大的经济与环境 效益， 利用微藻制取生物柴油， 已逐渐成为各个发达国家和能源企业的开发目标， 具有广阔应用的潜力。 第一章 绪论 2 1.1.2 能源微藻的研究现状 目前针对微藻的研究方向有以下三方面：高效产油固碳的微藻种类筛选；光 生物反应器的设计和开发；培养副产品的利用8。 （一）、高效产油固碳的微藻种类筛选： 微藻培养过程中，大量学者通过调节和控制温度、光照、ph 和 co2浓度等 各种因素，来筛选固碳量大和产油多的藻种。在微藻筛选方面已经存在大量的研 究，许多高效产油固碳的微藻已经被筛选归纳9,10,11。我们将其总结如表 1-1，可 以看出，在众多研究中，小球藻的油脂含量和产率均较高，其次是微拟球藻，拟 微绿球藻，富油新绿藻。 表 1-1 各类微藻的油脂含量及生产率9,10,11 藻种藻种 含脂量含脂量 （%干重）干重） 油脂生产率油脂生产率 （mgl-1d-1） 单位体积产率单位体积产率 （gl-1d-1） 针形纤维藻 24.031.0 布朗葡萄藻 25.075.0 0.02 角毛藻 33.6 21.8 0.07 角毛藻 14.616.4/39.8 17.6 0.04 小球藻 25.063.0 10.350.0 0.0360.041 小球藻 14.657.8 1214 2.007.70 小球藻 19.022.0 44.7 0.231.47 普通小球藻 5.058.0 11.240.0 0.020.20 小球藻 10.048.0 42.1 0.022.5 小球藻 2.0 2.903.64 小球藻 18.057.0 18.7 绿球藻 19.3 53.7 0.28 隐甲藻 20.051.1 10 杜氏盐藻 6.025.0 116.0 0.220.34 杜氏盐藻 23.1 0.09 杜氏盐藻 16.771.0 0.12 杜氏盐藻 17.567.0 33.5 棘藻 27.4 47.3 0.17 眼虫藻 14.020.0 7.70 雨生红球藻 球鞭金藻 25.0 0.050.06 7.040.0 0.321.60 第一章 绪论 3 金藻 7.133 37.8 0.080.17 蒜头藻 16.0 30.4 0.19 单肠藻 20.022.0 0.08 微拟球藻 20.056.0 60.976.5 0.170.51 眼点拟微绿球藻 22.729.7 84.0142.0 0.370.48 拟微绿球藻 12.053.0 37.690.0 0.171.43 富油新绿藻 29.065.0 90.0134.0 菱形藻 16.047.0 卵泡藻 10.5 巴夫藻 30.9 49.4 0.16 巴夫藻 35.5 40.2 0.14 （二）、光生物反应器的设计和开发： 光生物反应器近几年的发展非常迅速，分为开式系统和封闭式系统，但是由 于开式系统的耗能高、 产量小而且藻易受污染等缺点， 封闭式系统日益受到关注。 封闭式系统包括板式、柱式、管式等光生物反应器，如图 1-1 所示。 （a-板式光生物反应器；b-柱式光生物反应器；c-管式光生物反应器） 图 1-1 光生物反应器的类别8 （三）、培养副产品的利用： 微藻在进行光合作用和呼吸作用后，会产生许多不同种类的代谢产物。微藻 细胞可经过光合作用后可以积累大量的脂肪酸，也可以生成氢气、烃类物质、甲 烷气、甲醇及汽油等。其中，微藻细胞内积累的油脂通过酯交换转化为脂肪酸甲 酯， 后加工后可以转化为生物柴油。 图 1-2 所示的是微藻制取生物能源的方法12。 第一章 绪论 4 图 1-2 利用微藻制备生物能源技术的路线12 目前，应用微藻类制取生物柴油是热门的代谢产物研究方向。国内外公司企 业也陆续开展微藻制生物柴油的开发。美国 algae bio fuels 公司于 2007 年把南 海藻炼制生物柴油技术转让给澳大利亚，包含生物柴油产量为 2 107 gal/a (1gal=3.785l)的生物燃料炼油厂；西班牙生物燃料系统公司利用绿藻研究出一种 可再生“生态石油”，其绿藻可以不断循环吸收 co2，每天能够从 2 m3的水中 生产 6 kg 的生态石油，比种植生物燃料作物的效率要高千倍，而且占地面积 少，侵害性也小13；荷兰 algae link nv 公司于 2007 年 10 月开发的海藻光生物 反应器系统是目前世界上唯一商业化的小型试验装置，可以生产海藻干物质 1-1.4 kg/(m3d)；美国 green fuel technology 公司建立了一个用塑料袋作反应器 的试验厂， 生产的海藻干物质平均近 100 g/(m3d)14； 美国 green fuel 公司于 2008 年 10 月宣布，将在亚利桑那州建立规模为 100 hm2的藻类温室，生产藻类生物 量 25000 t/a15。 国内也有一些厂家开始研究微藻产油。海南绿地微藻生物科技有限公司于 2008 年成功利用微藻固定了 co2，收获的藻粉含油率达到 28-32；河北省新 奥集团于 2008 年已经在微藻培养上获得得 10 多项技术成果；2009 年 2 月，中 国科学院与中石化联合培养微藻， 以制备生物柴油， 并于近期要完成小试研究15。 1.2 影响能源微藻固碳产油的环境因素 为了获得大量的副产品并提高固碳效果，培养微藻的环境因素如光周期、温 度、ph、co2浓度、培养基成分等各个方面均要考虑。 第一章 绪论 5 1.2.1 光周期的影响 eduardo 等16研究了光周期对培养在柱式光生物反应器内的微藻的生物量和 固定 co2能力的影响；结果显示，不间断的光照更有利于微藻的固碳，其固碳 率可高达 99.69%；然而光周期过短或过长会使微藻的生长率下降。孙岁寒等17 研究了光周期对海洋微藻四列藻的影响，分别设置短光周期为 l、2、4、6、8 和 10 h，长光周期为 23、22、20、18、16 和 14 h，均与光周期为 12 h 作对照；结 果表明，光周期为 6-18 h 对藻液密度、叶绿素 a 和蛋白质含量等积累的效果最 好；光周期过短或过长都会导致这几个参数的不正常。 1.2.2 co2浓度的影响 一般当 co2的浓度高于 5时，大多数微藻的生长将受到抑制18,19。sakai 等20分离筛选出可耐受高浓度 co2的藻种 chlorella h-84 和 a-2，当 co2浓度不 超过 40时对这两种藻的生长影响很小，在 20co2的条件下其生长率达到最 大值。sung 等21分离得到了一种可耐受高浓度 co2并且环境适应性强的藻种 chlorella sp. kr-1， 在 co2浓度为 10时此藻种的生长率达到最大， 当 co2浓度 提高至 30-50时藻细胞浓度仍能达到较高的水平。hanaga 等22的研究表明 scenedesmus和 chorella 可以在 co2浓度高于 50的条件下生长。 de morais等23 筛选获得的 spirulina sp.和 scenedesmus 对 12的 co2的脱除率分别只有 7-17 和 4-9。chiu 等24对其培育的对 co2具有较高脱除率的 chlorella sp.的研究表 明，chlorella sp.对 co2的脱除率随着 co2浓度的升高而降低，在 co2浓度分别 为 2、5、10和 15时 chlorella sp.对 co2的脱除率分别为 58、27、 20和 16。总的来说，低浓度 co2在很大程度上有利于固碳效率的提高。 1.2.3 温度的影响 温度的影响是很重要的。不同的藻种对温度的适应性有很大差别，而且敏感 程度也不同。 李小龙等25研究了温度对铜绿微囊藻和玫瑰拟衣藻的光合作用的影 响，二者的光合速率随着温度的升高而升高，其中最适合铜绿微囊藻生长的温度 高于 35，而最适合玫瑰拟衣藻生长的温度低于 30。夏利花等26研究了玛氏 骨条藻、小球藻和衣藻对环境温度的适应性；结果发现，玛氏骨条藻在 4可以 达到最快的生长率、 最高的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的活性及最低的丙二醛 含量；小球藻和衣藻的最快生长率及维持较好的酶活性均在 8的条件下。 在室外培养时，温度因昼夜和季节变化而变化，导致实验室的实验结果和实 际生产结果很大不同，所以生产过程中进行温度的控制是一个重要过程。 第一章 绪论 6 1.2.4 ph 的影响 对 ph 的耐受性也和藻种有关。微藻细胞的代谢产物和供应的 co2均会影响 到 ph 的变化。因此在培养过程中，要根据 ph 的变化调节 co2的量，还要定期 排出一定量的微藻生物量，补充培养基成分来调节 ph 到正常值。薛凌展等27 通过纯培养和混合培养， 分别研究了 ph 对铜绿微囊藻和普通小球藻生长的影响； 结果显示，在纯培养下，普通小球藻的最适 ph 值在 7-9 的范围内，其中 ph=8 最佳，过低或过高均会导致普通小球藻的生长速度和叶绿素 a 含量下降；铜绿 微囊藻的最适 ph 在 8-11 范围内，其中最佳 ph=9。邓光等28研究了 ph 对锥状 斯氏藻和塔玛亚历山大藻的光合作用的影响，此两种藻适宜的 ph 范围为 7-9。 1.2.5 培养基成分的影响 微藻细胞生长需要适量的 n 源和 p 源。一般情况下， 研究人员会依据不同的 代谢产物的需求，来调节 c、n 以及 p 源的比例。同时，有些研究人员还研究 用生活废水、农业废水以及焦化废水等替代生物培养基。因为在这些废水里含有 丰富的 c、n 以及 p 源，有利于促进微藻的生长29。 1.3 光生物反应器的研究现状 1.3.1 开放式系统 开放式培养系统包括跑道池、循环池和箱等，其突出的优点是结构简单、成 本低及操作简便。最典型的就是 ugwu c.u.等30描述的跑道池系统结构，如图 1-3 所示。跑道池主要靠浆轮或旋转臂转动来实现循环流动，一般情况下在浆轮 前方添加营养物质，而在浆轮后方收获藻种，跑道拐弯处会增加弯曲的折流板， 以起到导流作用而减少藻细胞的沉淀。 图 1-3 跑道池系统图30 第一章 绪论 7 自开放式系统的开发以来，更多的改进集中于对内部流场的混合及添加检测 系统等方面，然而对具体结构形式的改进没有突破口。而且，开放式系统由于耗 能、传质差、占地面积广及易受污染等缺点，更多的研究重点集中在闭式系统的 发展，也就是光生物反应器的开发上11。 1.3.2 板式光生物反应器 板式光生物反应器一般由透明的有机玻璃板制成，采用太阳光或者荧光灯作 为培养光源，采光方向和混合强度均可调节，易实现高密度培养。 milner31首先提出了板式光生物反应器。之后，samson 和 leduy32开发了一 个荧光灯照明的板式光生物反应器。近几年，许多学者对平板光生物反应器进行 了改进。su 等33在板式光生物反应器中加入扰流柱，而林晨等34在板式光生物 反应器中加入两个挡板，并采用底部曝气的方法，两种扰流方法均达到良好的混 合作用。随后，李昱喆等35设计了一种采用波纹导流板的板式光生物反应器，并 通过模拟和实验表明波纹隔板提高了反应器内的气含率， 增大了反应器内流场的 气液传质，同时波纹隔板也能够加强流体的混合。 板式光生物反应器具有单位光照面积大、容易清洗及操作简便等优点，能够 提高微藻产量36,37。但是由于其结构不稳定，在大规模培养中需要支撑材料而造 成成本升高，而且有一定程度的贴壁生长，不易控制内部条件，使其不适合大规 模培养30。 1.3.3 柱式光生物反应器 柱式光生物反应器的底部有曝气装置，因此柱式拥有混合效果好、气液传质 效率高、成本低、结构紧凑等优点。许多学者对柱式光生物反应器进行了模拟和 实验研究。sa nchezmiro n 等38的研究显示，当柱式光生物反应器的直径最高达 到 0.19 m 的时候，其培养效果与管式光生物反应器的相同；管径增加就会导致 藻液内部的光照衰减严重，使培养效果下降。因此柱式光生物反应器的光照体表 面积比较小，不适用于扩大培养。garca-malea l opez 等39对柱式光生物反应 器和管式光生物反应器进行实验对比，得出在扩大培养的条件下，管式光生物反 应器的培养效果更好。 第一章 绪论 8 图 1-4 柱式光生物反应器39 1.3.4 管式光生物反应器 管道式光生物反应器的管径一般较小，借助外部光源进行大规模微藻的繁殖 生产，如图 1-5 所示40。 图 1-5 管式光生物反应器40 pirt 等41在 20 世纪 50 年代就提出了管径 0.01 m 的管式光生物反应器、 操作 原理和计算机控制装置。此后，torzillo 等42设计了双层管式光生物反应器，并 进行室外实验。为了增强光合效率，lee 等43对圆管进行了改进，采用 -斜管或 螺旋盘管进行了基础理论和应用研究。sato 等44利用 fluent 对管式光生物反应 器内的流场进行了模拟， 并做了室外培养实验。 吴良柏等45设计了螺旋管式光生 物反应器，并做了 fluent 模拟，以产生纵向涡来提高汽液传质效率。 第一章 绪论 9 1.4 本文工作的研究意义和内容 微藻作为生物质能的能源之一，具有强大的节能减排优势。微藻的研究主要 分为三个方向：高效固碳产油的微藻种类筛选；光生物反应器的设计研发；光合 产物的制备和利用。目前，在微藻筛选方面，许多高效产油固碳的微藻已经被筛 选并总结。光生物反应器的发展迅速，其中，管式光生物反应器相比于其他光生 物反应器，具有产量高和可以扩大培养的优势，但是， 其传质弱、条件不易控制、 贴壁生长、管段不宜过长和光对管径的影响等缺点限制了此类反应器的推广。因 此，设计微藻培养效率高的新型光生物反应器，并在此基础上研究其扩大化培养 系统是有重要意义的，这也是本文主要研究重点之一。 目前，许多研究学者设计了不同类型的光生物反应器和不同形式的混合方 法，通过培养实验来验证微藻生长情况和固碳效率，并得出光照方向的混合可以 提高传质效果和光合效率的结论。但是，这些方法和构造是否达到了培养环境的 最优化，是不确定的。因此，在光生物反应器的设计上应用合适的最优化理论， 是必不可少的。 本文的研究内容具体如下： （1）本文对场协同理论进行归纳总结，分析其用于优化微藻培养环境的可 行性，并首次初步地将场协同理论应用于光生物反应器的设计上，来描述速度和 光照方向的协同程度。 （2）本文以传统管式光生物反应器和抛物线形为基础，提出了一种新型相 切套管式光生物反应器，达到在适当增大管径的前提下，通过产生纵向涡，增加 径向的扰动，减薄浓度边界层，并形成全局混合，尤其是光照方向上的混合，来 提高藻细胞在光区和暗区的循环。 （3）对不同曝气方向和不同曝气率下的相切套管式光生物反应器的流场进 行 cfd 模拟，分析径向速度分布及协同角分布，以评价该反应器的传质效果及 光照方向上的混合效果，得出最优的结构和运行条件；同时，进行了微藻的预培 养实验，并设计了相切套管式光生物反应器的培养实验。 （4）本文对课题组现有的套管式光生物反应器进行 cfd 模拟，并与相切套 管式反应器的模拟结果进行对比，从而预测相切套管式