（环境工程专业论文）低高径比气升式环流反应器数值模拟分析.pdf

摘要 气势式环流反瘦器是扶皴泡廉反应器驰基础上发鼹黼米，因其结搦惩攀并且有良好的混 台和传热穗麓、便于潆孛箬等优点曩广泛蹭予证学工照、生纯工程、环境工程等 亍韭。喷身季式 环流反应粼髅取) 是蝴戏环流反应器上改避螨聚，除了鸯b 避自骠专点之步h 翅e 其有 传质传热效攀较高、设餐络构篱摹、低彩隧、易于操谗铡每点。 嚣疼岁 学卷已霹遮蒋粹反应嚣迸簿了广泛甄深入韵磷究，惫括辍黝黼辨瞧凌、凝液嚣静 操作条件、挝成器的结构等几个方面来考察反应器的流场传递性能。以往的研究对于气升式 农嚷象式癸流爱蕊静径自豁多镑对宥敲过程，萁爨突j i 重象多集中在缁长型反应器匕慰予 低高径比发艘器性能的研掰畏少见。 当前，计算流体力学( a d ) 作为种硼于分耩流体黼混禽悔质豹交叉学科，对 逡簧绞弱秀浚，不援霉叛警骞丈堂戆夫力携力，握毫寞羧效率，瑟璧楚获褥爱应器孛溯l 传质嗍稳惠，对反应器鹣设计和放失爵液观的指导懑义。 本文利用商用计算流体力学软件狲崩瞒0 1 6 ，重点钟对喷射环滚反应器的特点，对一种 罴鸯羝毫绞援：( 蚤登= l 。静 豹气舞式唾虢获麓巍斡气液嚣穗滚舔蕊绺隧匿跨淄! ，萋l 藤合理 的多相流模烈帮湍流模型，考察了不同的撵俸参数与结构参数的情况下反应器内气波运动的 情况。 经鸯鞫黼了鼍羹罾瀚爱蔽器蠹岛蠛蹿醺臻嚣秘辩承鸯学参骞哟噶灞溪，气鞫粼鹃邃 度矢恩场、溅图、控制颟上的湍流动能、湍流动能耗敝率及湍流粘度簿，并分祈了这些参 数分毒的特烈及产生踉囡。 穰毅缕祭表明： ( 1 ) 貘黧骚塾立、期贻强件秘盘癸条锫然用基本台瓒，模拟过震中鼢阀步长和参数波! 萤哈 弛嚣子选取遁遂，计算过稷的收敛牲良好。模黼麓多鞠淡骥型、演滚摸墼爱其它参数竣 定瑶戮报好盼醣浞气舞式触器的模茎! 器黉。 ( 2 ) 液榔塞度和鼍含率的模拟结果与薅险值设定的操作参数范围内蕊本致；可视化模 籀威巢与实鞭瓣察豹瑗象襁舞会，获孬疆明了搂羧续暴鹣霹豢洼。 ( 3 ) 研究了表观气速和液相外循环流爨对反应器内液相循环速度和平均气含率的影h 向及 导流筒尺寸变化对流场的影响。 ( 4 ) 湍流动能和湍动能耗散率较大的区域主要集中在反应器进口位置和导流筒上部，在 此区域涮巍拐瑚班豌大，湍流强烈，两棺艺间有皎大的动量交换，因比i 折节能的改进时， 重点应放在这两处。 关键词：计算流体力学反应器流动模拟 焱翻鲢国e l a i r 砸枷( a l r ) i s a 赋o f 黔删蒯姗酬o p e d e 础籼a n d h a s b o 潍w i d c l y u s 。d 融d 贼n i e a l i n m l g 峨b i 0 1 嘲i c a i c a 重镦毽h 。e 如喀8 n d 既刚两m 粼咖i 弘。自麟鳓矗轮 如趣曲n p l e 。n s 昀c ；o 连拶融娃螽魄，护。d 獗捌峨p e 撩疆掰隅越避龉g 协糖 螂删融l o o p 煳铽i s 愀州她觚懒埘删c i 黜妇删 缎麟淞妇蠡瞳l 群蟥融m 麴c 岛s i i 瑚薹。出畦c es 臼蛳措霸 燃越氆蛐芏箍姆测瑚没堍 。垂晒趣b wc l 】蠲搿璐t i i 唧翻a 瓣既锣幻泌唧燃鼬涵。 眦嘁蹦o f 慨1 1 a s b 嘲嗽斌由删e d b y 幽融黼戚抵 赫c 蠡述氅堍街铡幽勰熟姆凌喇鞠蜮p c 蔽聪燃翘幽：搬鳢她瑚脚醚睁翻随强蒯 娃捌晒q 斌a 蛀o n c o h 盘m a 瞄c o 搬如j c | 的l 蟮。擞蝣芏e a 西0 r 。 s t 麟喇枷曲a l 吐a i 鼠a 1 1 d j l r ，s 晌i s 妇缸8 。d 雌础：。b i 嘴i 8 c0 u t 鼢蝴m e d l e a c l 疆蠢董j i 露f 皤。馥魏区窖睡牺蕊嘲+ 浑l i 棼赡曲。毽娃持藏蛹瞄稍瓤g 释王嚏i o 西b 畦出 协d i a n 蟛b 贯c a n b e 氛h 脚 妇唰幽删艘嘞e b a 8 溉删的删噼妇蚍施昀a n d 粼 蜮蛐霆蕊魄燃论测耐s 酶琵漾撇秘每觥鑫融。f 艟 a l s 0 蝉c a n 删悯黼曲妇o f 黼a n d n l a s s 蜮m 蛐蛐_ b e 撩麟吐y 璐醴幻d e 鲢辨锄d s c 洳坤a i r 骚k 瞅a g | 魄， k 髓黼融蛐赫煅o f 粼蛾粼瓯骱畦崦妇娥醒雠 瓤o fa i l l i 拄蚴融蜘m l o w 幽o f 吣t 0 抵燃渺l 。聃a r e 删，| 量l e 嗍媳越砌删蛐幽豳卿6 2 1 6 i s 谢訇。娥批妇龇矧融慨嬲剐 b 滴血a na i r 蚓脚燃谢魏蛐蒯嬷删蒯豳妇溅翻蛾 o f 耐融e 啦刚蒯c i a lg 嬲v e l 删a e s 国d 联融嘲棚蚣耐n 嘲d 娃暾o n 赶砒g a 稍碲甜n o w s 麓簿篷j 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d yc o m a 血劬器i i l 妇 j 1 1 俄o f 恤r e a c d a r d 珥p e r p a n o f i 瑚衄c a i l i s 时h l 慨i e 百，v c 脚粤蜘i sb i 舛m e 加f l 鲫i s 砷胁s e ，咖p h a h a 耽m o m m 呲l 咖怕f 妇吐m i f l 础研嘶，i ts b 砌d 协b e a d v i s a b l c 幻t h i n k o v 盯m e 山s i 弘0 f t l l e r e 罾o n 、加l c o i l s i d 嘲m l 坞s a v 龋i l l e o f 忸a 虹锄圃盯 删o f d ：c 0 埘p i 血d o n a l 丑i 五d 由| 1 1 删c s r e a 哟rf l o w 醯n l m 曲o n 郑州大学硕士学俄诒文 | j l 舌 生佳工程的橱山设备是生物覆应器。气升栽反勰( a r ) 是在鼓泡塔的基确t 发展起 来黼，因其结构简革井脯良好的混合帮传燕性能、便于操作等优点已广泛用于化学工业、 生化工程、环境工程等行业。 国内外学者已从实验方面耐气升式进行了广铥而深入的研究。但宏观实验对于反应器内 部檄观的、瞬态的行为不s b 作出有效的分梗，目翦在数值攥纵方面封反应器流场磷究较少； 另外，以往的研究多钟对有氧过程，獒研究对藩多集中在缝长墼反应嚣土，对予低离径沈艇 盔器性能抟蒯民少凳。 本文利用商用讨鬻流体力学软件f l u 虹21 6 ，对一种具有低高径比的气升式环流反应器 内的气液两相流场进行模拟计算，对分析低高径比气升式反应器的流场问题提供了有价值的 方案，耐气升式反应器的没爿提供了掰螅逮径，在渡领尚属酋次研究。 郑州大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 气升式反应器简介及特点 生亿工程的核心设备是生物反应器。生物反应器根据反应器所需的能量输 方式可以分 为：逶过枫械搅拌提供能量的机械搅拌式、不用气体喷射的气升式和利用泵对液体的喷射而 使液体循环的生物反应器掣”。 气升式反应器( a 硼逾1 0 0 pr e a a 断，简作a i r ) 是在鼓泡塔的基醴发腰起来的，运行中 其能羹由压缩空气| 譬供。气升式反应器一锻由3 个基本部分组成：上升段、下降段和气液分离 区。冀基本工作服理是将压缩空气借助于碛嘴( 或气体分布器) 以商遴喷入培养液，造成局 部 馥然密度下降，以获得高速气流的动能，气液混合体由循环管升，两时在循环管外的液 体姑密度差丽f 降，并从装部升入循琢管以填 空缺，形成持续不断的德环。空气与培养液 在反& 器上部的气液分离区分离后从顶部排出。根据需要，导流簿盯做成多段的以力n 强局部 及总体循环，导流筒肉还可安装筛援，使气体分布得以改蔑并可酞透当地抑制液体循环速度。 气升环流式反应器是近年来在隧着生物反应器的研究发鼹起来的种新型反应器，其特 点是在反应器内部设有导流装置，使反应爨内原来无廖的自然循环漉动得至强化，从黼i 于生化反应的顺利进行，产生稳定的总体环流并可黼归硎砺i 应时泡沫的产生拶。 环流反应器按环流方式又可分为内环流式、外环流和双环流式生物反应器。如图1 1 所示。 与机械潞拌_ 式反应器和传统酶鼓泡塔相比，气升式环流反应嚣有许多独特、优异的性能： ( 1 ) 反应器内液体流向确定，液体的规贝螨环运动促进- 混合性能秘传热速率的提高； ( 2 ) 规则的循环流动以及均匀的动量传递，使得流场内剪切速率较低，剪切力场癸布均匀， 更适合在对剪切比较敏感的生物处理工艺中应用； ( 3 气体在反应器内所经过的路径较长，反应器内总气含率较大，单位反应器体积的气泡 比表露积较大，气液接触好，气液传瑗速率商； ( 4 ) 反应器结构简单、总体效率高、s 氍小，适会放大以实耀大型化连续操作。 郑州大学硕士学位论文 内环流( 气升式) 外环流( 气升式)双环流( 泵循环气升式) 图1 1 气升亩碱反应器分类图 f 螗1 1a l r c l a s s m c h 砒 喷射式反应器( j dl o 叩r e a c 断，简作n r ) 是种是依靠特设的液体赛射装置吸入空气， 同时实现混合搅拌与溶氧传质的反应器。这种反应器多用于气液两相反应，也可以用于含催 化剂等悬浮颗粒的气液固三相反应。其原理是利用高速流动相去卷吸其它相，使各相密切接 触，继而在反应器内均匀分荷啊瀑浮，并完成反应。喷射式反应器由于匣用背景不同，出现 了多种喷射形i q 孙4 】，如：根据气体j 别蝴的不同，气体以泵入的方式引入的的为喷射式， 气体由液体射流卷吸引入为喷射自吸式：根据操作原理的不同，喷射式反应器可分为内循环 式和外循环式：根据射流喷嘴在反应器内的不同位置，有上喷式、下喷式及水平式喷射反应 器之分，等等。 本文将研究的是种气升式双环流反应器，它兼有气升式和喷射式反应器的特点，设有 喷嘴和导流筒，使液体形成规整的环流，在喷射区内能量集中，因而剪切场强。同时，喷射 所产生的分散作用加强了混合效果，使气泡在反应空间分布均匀。 1 2 气升式反应器的应用 气升式反应器因其独特的优点，已广泛应用于发酵工程、酶工程、化学工业、环境工程 等行业。2 0 世纪6 0 年代起，环流反应器便在生物发酵工业中应用，前苏联和东欧一些国家应 萼诤 郑州大学硕士学位论文 用乡 循环环漉反应器进 亍单细魏餐自发酵( s i e p 尸。上。睦纪7 0 年代以来，环流反应恭开始在废 水生物处理中得到应用，1 9 8 1 年日本蹦删造纸公司大阪日一的工业化气升环流生物反应 器处理造纸废水每天楚瑗量达銎豳o q 3 。荚飘i c l 工公司舞发出墨处理废承2 0 0 0 璃，离这| 3 的深井曝气眨应器并已在西方翻乎f e 厂。使用【q ，浙江钱江味精厂懈1 3 时双环流尉潞朔于味 精豹发酵话韬拶，另步融嚷嚷茈j 8 恸陶漱洚r 毋式反应器羽于苏云金扦菌豹发酵，选择合适的 反应条件不仅能耗低，操作方便，控温精度高，且比营通的机械搅拌发酵罐发酵周期缩短9 h ， 发酵承平提高3 5 。郑髑大学李洪亮等嘲的取循琢气体搅拌发酵设备，具有内、外循环结 构，循环过程利用了气体的浮力，具有节能的效果。 近年来，气畀式反应器在各种生化过程及化学工程的应用越来越多，性能优受的f 6 心被 研究开发出来代替机械搅拌罐培养生物细胞和发酵。 目前，气升式反应器在好氧生物处理工艺中也得捌了广泛威用，显示出广阔的市场前景。 它作为生物反应器的僦点是易于保温，即使环境温度很低，仍可保证反应器内微生物代 谢状况良好。在作为生物反应器使用时，宜身用高径比小的装凝，以减少动力消耗。 对予喷射式反应器，在国嚣上有不少公司进行了研究开发，如瑞土& 璐和e cc l 始m 公司， 及美国a 】e f 公司等。b 璐s 和粥c 毓公司的喷射反应器应用于倦化加氢反应和烷氧基化 反型。喷射式溅由黼了气升式反应器与棚暖捌聿反陂器的大部分优点，酾在酲 前的研究中备受关注。 l 。3 气式升反应器的实验研究进展 1 9 3 9 年，f l i l 醚”最早提出7 霹适用于攒述单相物质系统中喷射反应器实验结采的基本理 论概氛他刊用潮率管理谕宦立模型，并导出剃旧咧粥薹置獬计算公封：。 v 髓d i 饿糕妇瘀雀拳瓣气一液反越；中的相接触霉裁教子了研究。t 重论了气含率、气淹乎 均直径和相界丽积，并给出了它们与各种物雠参数的关联式。v a n d i 1 ( i o 口c k 还从工作特性、 设计放大及应用等方瑟对比分辑了喷射瘦应器和机械搅拌釜反应器，阐明了喷射反应器的e 异性能，并指出喷射反应器极有可能取代搅拌釜反应器成为多相反应器的酋选。 索秘幻 攀嘲 匕鞍捌论述了各主弱廷型喷黼结构，阐述了喷嘴潲辜的理翻钌方法， 并分析了各状态因素和结构因素等对喷嘴工作性能的影响。 4 郑州大学硕士学位论文 b l 肋搿1 羽于1 9 8 5 每镯汾了反碴潦性能的不同方碱表i 诖渗数，随后盼研究基本e 沿用了 其研究思路和方法。如表1 1 所示： 表l 一1 喷神稳础趣蝴舶犍嬉豪征 t a b k l - lj l r s p e 曲愀蚪黜 媚分数蛙能 暖露崮茧性能 流动睦能 结构性能 混台特性及停留时闯分布 功耗 射流蛙能 反应性能 气含率、相间沈表面积、气泡大小、固含率等 传递系数、转递速率等 循环速度、局部相速度、流型、压降等 喷嘴、导流筒及塔器的几何结构参数等 b o 数、数、分布密度函数等 输 功率分群 射流穿i 翳嫂、剩流传鼹魉圈、勺缮啜 量等 反应动力学及熟力学爨b 目等 w 簋够掣1 朝黼式鼬辩踏作新型反疲= 爨 迷厅了研究。 a 黼d l q 详细总结了喷射反应器的各种性熊，认为喷射反应器作为商性能反应器h 口将成 为气液反应器的设计标准。 我蓟惭l 试反翊导和喷射反蠊的研究胁蝴沩滞詹，2 0 世纪六七十午代开始有文献 报道： 蒜 镇等1 强据生嘲l r 中冷鼢珞鹈察、液稆流动、气相分散及混龠问题，应用宏观壤衡 算及能耗最小原理得出流动摸型用来预报气含率及液体，蓿环。 周少奇掣1 8 考查了反应器两相流体的动力学数学模型。考虑了所有牛顿液体与非牛顿液 体的流变本构方程。 赵玉捌1 9 对鼓淹淤浆床反应器的反应工程问题，诸如：流型、气泡大小、气含率、气液 表嚣积、燃数、：i 瑟_ 琵、颗糊涟界碌浮气速、沉陷童茬滞做了全面的掩盔，删i 景给 出预测。 洫雠等圈考察j l r 中冷模舞嘲湘流翔现象，作了应明宏舾费量馘籁赣粥廷粉叛 液体循环韵工作。 李宝璋 严1 好一种下喷式目已r 中冷模实验考察相分散，应用简化的n 撕幽 。e s 方程得出 郑州大学硕士学位论文 预报气含率的模型。 综e 所述，针对气升式和喷射式环流反应器，国内外不少专家学者进行了有关气含率、 表观气速、循环液速、气泡大小、流体力学、返混、传质、传热、固相分布等方面的研究。 有关气升式反应器的实验研究可以从宏观匕得到反应器的运动参数及互相关系( 如图1 2 嘲所 示) 图1 - 2 参数的相互关系 f 螗1 2c c h 删棚o f p a r 曲嘟 对于微观的、瞬态的行为利用传统的实验手段自嘘得无能为力了，需要借助于先进的实 验方法予以解决。 1 4 流体数值模拟研究概况及进展 1 4 1 计算流体力学简介 计算流体力学( c ( 粕p i 】伪t i o n a lf l u i d 脚塌m 豳，简称c f d ) 的概念形成于上世纪初字航 飞行器的发展的时代，而后随着偏微分方程理论、数值计算方法等相关学科的迅速发展而逐 步形成独立学乖 的。流体力学及其各个分支的研究大多开始于工程应用问题的研究，再随 着研究工作的进展逐步上升为独立的理论，多相流数值劁的研究也遵循了同样的规律。 理论分析的方法是指导实验研究的数值计算方法的理论，但往往对计算对缘进行抽象和 简化才可能得出解，实验测量的方法结果真实可信，是理论分析和数值方法的基础，其重要 6 郑州大学硕士学位论文 性不容低估，然而往往受到模型尺寸、流场扰动、测量精度、人身安全的限制，有啊自很 难通过试验得到结果。丽a d 方法恰好壳服了激 ：两种方法的弱点，数值摸拄l 可以形象的荐 现流动。 c f d 可以看做趋在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、自馒守恒方程) 控制 下对流动的数值澳拟，通过这种数值陵拟，可以得到复杂流场内各个位置上的基本物理量( 如 黻、匿力、温度、浓度等) 的分布，以及这些酾蛳时间的霉阴精况。此外，与讲。联 合，还可以选 亍结构黝差抗化设计等。 以往出于工程简化计算方面的考虑，有关嘞姻骝院的燃糍蜮观掘黔始激生物 反应器中的流体参量例坶2 曰，为了达到宏观预测的目的，有些文献在些参量之间进行经验 或半经验的宏观关联卿口8 捌，宏观关联是个传统的数学漠拟方法，对工业放大曾起过一定 的指导作用，僵是在关联式中，这些传质系数、气含率、温度只是一些巽有宏潮目寺征的平均 壤，忽略了这些量在反应器中实撤的分布，也垂是过去在反应器放大设计中存在放大效 应并影响产业化进程的主要原因。 实际上，描述流体流动的著名的n s 动量方程早就被教科书等专著和论文所引用，过去动 量方程之所以没能象质鳖衡算方程稻髓量衡算方程镕阱鞠受敝用于实际工程计算，其主要困难 在于：对于反应器内这样复杂的漉场，无法# 确酗s 方醒& 9 使是数崩物，随着现代计舞嗷沭 和代测试技术的飞速发展，这两个闯题已经迎刃丽解，极大豹促进了计算溃淋力学的发蒯刚。 计算流体力学对 流体研究的理论流体力学和实验流体力学两种手段，具有强大的数值 运算能力，可秘计算用解阮懿坏燃盹嗣骊问题，并可以减少实验测试次数，节省资 金和时闯，獬决某些由于实验技术所限，难以进行摁量的涵匪妒“。不仅如此，通过流体力 学驾曜模拟，人 坯可以发现一些尚未发现的物理规律；通过计算朝和图像的妻觋显示，为 理论流体力学提供参考数据和新的思路。 计算流体力学产生以来，解决了大量的工程应用问题，如飞行器外形设计、涡轮机叶片 设计、效率计算、空调设讨等等。目前应用较广泛的的a 积轳潲：有：f h k 斌、q 、p 1 0 l 嫡c s 、 鼢rc d 。a 软件的结构安排都是围绕流体獍动涮题盼。为了能哟受方便的解决问题，所有 商业软件都提供了用户界面来输入参数和检查计算结果。 c f d 也存在一定的局6 艇性。因它是种离散近似的计算方法，依赖于适合于在计算胡。b 郑卅l 大学硕士学位论文 进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表态式，只是有限个 离散点上的数值解，并有一定的计算误差；在运甭c f d 软件进 予计算时很大程度t 依赖于经 验与技巧。因数鏖处理方法不当有可能导致计算结果的不粪实。 尽管如此，a 弛凭詹应用性强、受物理模型秘实验摸型的限象4 ，省钱省时，能绘出详细 和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸或真实条件和实验中只能接近而无法到到的理想条件等 优点，已成为流体流动相关工程中不可或缺的工其。 1 4 2 两相流楱型的进展 通过数值计算方法研究气升式反应器内气液混合流体的运动情况，就必须引入多相流动 模型。耐g 滤问蹶中腻霉“相”是攫具鸯相同成分及相同物理、化学陛赓的均匀物质，各相 间应具有明显可分辨的界面。其中不仅包含了单根流滤嚼所涉及的复杂流动问题，还包含了 两相间的相互干扰问题。与气固和液固两槽流相比，气液两相流中还存在液滴变形、破碎、 聚合和蒸发过程，因此其复杂程度更高，给实验观察和数齑、讦算都带来很多阐难。总体= 看， 这令领域的研究还远没有达至4 成熬的阶段，距离建立完整的理论还有很大距离。现有的气液 两相流理论中包含了大量的经验公式和模型假设。 气液两相流问题根据各自的特点可以分为泡状流( 懒n o w ) 、液滴流( d 玎) p 搬丑a w ) 、 气块流( 衄丑o w ) 和分层流( s 响黼e dn o w ) 。采用体积平均的概念和类似于单相湍流流动 的雷诺时均方法，可以建立起了多抒湍流流动的时均脔程组。由于方程组中含有未知关联项， 不匕构成封闭的求解系统。解决封闭闯题睦斓模拟近似，或用德他的方法，从丽形成了不 同的两相流计算模型。 b ( 心8 i n e s q 于1 9 2 0 年到1 9 4 0 年期间，发表了气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气液两 相流问题的经典论文。1 9 4 9 年出现“两横流( 柳叫m a s e 茹o w ) ”这一专用名词。其后，随着 工i 墟用特另是动力工程的迅速发展，两相流的研究也逐步肉系统化发展，有关两相流边界 层、激波在两相流中的传播、空化理论簿方面的沦文逐濒增加。1 9 5 4 年b a o e 瞧出了气液两相 流的第一张流型图。1 9 5 6 年h l g e b 0 研究了颗粒群阻力系数与单颗粒阻力系数的差别，总结出 描绘颓粒群阻力系数的经验公式。 目前有硒种数值计算的方法处理多相流：欧拉一拉格朗日方法和欧拉一欧拉方法。格朗 日方法中的竣i 体相被处理为连续根，直接求解时整特s 方程，丽离教相是通过计算流场中j ：量 郑州大学硕士学位论文 的粒子，气泡或是液滴的运动得到的。离散相和连续相之间可以有动量、质量和能量的交换。 该模型的一个基本假设是，作为离散的第二相的体积比率应很低。在欧拉一欧拉方法中，不 同的相被处理成互相贯穿的连续介质。由于一种相所占的体积无法再被其他相占有，故此引 入相体积率( p h 疵v o h j m e 矗a c i i o n ) 的概念。体积率是时间和空间的连续函数，各相的体积 率之和等于1 。从各相的守匦方程可以推导出组方程，这些方程对于所有的相都具有判以的 形式。从实验得到的数据可以建立些特定的关系，从而自副吏e 述方i 斟闭。 1 4 3 气升式反应器数值模拟研究进展 对于气升式环流反应器或近似模型的数值模拟研究工作主要有： n 瑚尸等 运用e i | i d e 弗疆! 研究了二维与三维、层流与湍流隋况对鼓泡床反应器内 液相流动的影响，并对两相流动的2 滟行为进行了分昕，预报出时均的和动态的液速与气含 率分布。计算结果篚三维下可嘶艮女子的与实验相吻台，而二喇的计算结果则为向嘲i 动， 与实验差别很大。 c h v i a l 吲等人运用计算流体力学软件f l 响f l t 4 5 l 对一种外环流气升式反应器进行流体力 学模拟，演示出凤立暑导内流场各刻姗径向与轴向的发裙斟匕情况，并指出在运删软牛 时，气速较高时忽略气泡行为引起的湍流会导致计算错误。 v v 风m a d e 嗍研究了分布器对鼓泡来反应器、麻场的影响，利用e l d e r 国1 1 e r 模型进 菇p 算， 比皎了按二维与按三维计算剩f f 速度与缃i 扮率的不同。计算结果显示：单环分布暑铲生 更陡的气体体积浓度梯度与更强的速度梯度，并产生少而大的漩涡。而对双环分布器来说， 气体分布更均匀，产生多而小的局部性的漩涡；在混合方面，单环的混合时间比双环的要长， 而三维的计算结果总体来说要比二维的混合时间要短，与实验相符。 e 驮岫嘶等人0 1 用e l d “a g 哪g e 方法对气液鼓泡床进行三维模拟，研究了不同高径比下 气液的流动行为。计算结果显示：存在一个临界的高径t | 二4 8 ：在【比值之下，气液表现为稳态 行为，而大于此值时，气液出现波动，不再是定常行为。 r f m u d d e 等 、砸嚏用二维和三维模型分别对矩形内环流反应器气液两相流进行计算，结 果显示二维计算的液体循环速度与三维的结果有3 0 左右的差别。与实验数据进行对照，表 明显示在较低的气速下，二维模型的结果与实验较接近，在稍高的气速下，三维模型的与实 验结果更相符。 9 郑州大学硕士学位论文 他s 姗镑舻。年佣剐a 锄j 1 制及气液两相涮勉邕对“帽湎为* 瞬的内环、瘌谰 进行模拟，讨论了在不同表$ 翳气速时液体及气体的循环情况，结果显示在特定结构的反应器 中，当表观气速莛煤傻时，气泡将进入下降管。 1 5 本文工作概述 1 5 1 本文的研究目的 喷射环流反应器是种利用特设的液体喷射装置吸入空气，并网撼实现混合搅拌与溶氧 传质的反应器。可用于气液两相反应，或含催化剂等悬浮颗粒的气液圃三相反应。由于其优 异、独特的性能，越来越受到国际学术界和工程界的关注。从前面提至0 的理论与实验研究可 以看出，对于喷射环流反应器的性能多针对有氧过程，英研究对象多集中在细长型反应器匕， 其中对齑径比( m ) 为弘1 2 的反禳s 的研究约士棚以上闼。藤对刊氐离径比反应器性能的 研究报j ：琶贝蝤良少见。 气升式反应器在好氧发酵中已被大量采用，而在厌氧反应领域的应用不多。对于厌氧反 应，由于不需要考惑溶氧传质，人们更多关注的是其湍动混合效采。目前厌氧生物反应器中， 以滔精发酵生产为倒，应用较多的还楚传统的无搅拌大型罐，其肉设有冷却蛇管、自动水力 洗涤爨等附件。这类反应器的总体特点是：结构麓单， 很少或基本上不设混合搅拌装置，多采用圆锥或碟形 封底，具有较低的高径比( 般为1 1 ：l 左右) 刚， 适予间歇或半间歇操作。 但随着生产规模的大型化，其应用中存在的闫题 也日益暴露。大型罐在酒糖生产使用过程中，存在易 积钡滞潲、易染菌，浓度梯度差大等问题，给生产 带来一系列困难。在主发酵期，隧着发酵过程的进行 所产生的大量的c 0 2 使醪液翻腾，上述存在的 l 循环泵2 喷射器3 吸气管4 排气 问题不是很明显，因l 比基本很少需要特另j 自q 搅 管5 导流篱( 内筒)6 罐体7 气液入口 拌或通 气体，蔽啼职对c 0 2 = 搿酃醇静令凝， 酌- 3 气啊激嘲耀图 1 0 ：n l o 耐斛】e f 缸n 髓砌i 孵咖o f 出l i f l 耐 即可回收部分带出的酒糟以减小抑制瑚象。对 l o 郑州大学硕士学位论文 于后发辞期，由于c 0 2 释放少，使醪液中的固形物沉降，易形成大量的积料和滞流现象，易造 成染藩及导致发酵成熟醪残糖增加，挥发酸上升形成不正常发酵，产生杂质，从而影响酒精 产量和质量。这主要是由于产气量的减少，液面平静，因此微生物代谢过程中产生的酒精及 少量醛等不能被产生的a 城时带走，在细胞周围形成抑制区，同时养料不e 及时的输入以供 细胞生长代谢需要。此外，又因积料会占去一定的罐容，使发酵时间被迫缩短，从而引发原 料的浪费与酒精产率的蹦氐。因此在后发酵期，资予以适当搅拌或通入适量气体以有效解决 涕流现象，减少或避免染菠现象的发生。为了解决上述实际存在的问题，目前已有部分内循 环气升式反应器簖 于i 罂艄发酵生产中。将环疯回弼提应爆于厌氧发酵，主要通过气液内循 环使醪液搅动，减少滞留和染菌现象，在喷懈中，气液混合强度很大，剪切力也很大， 这对于消除细胞周围的代谢物黼i i 膜将十分有利。敌研究与讨论的重点在于考查其流动与混 合状态，并可推进厌氧发酵反应的大型连续让生产操作过程的实现。 本文将采用数值模拟计算的方法，稠计算滋体办学的辩i 黼软侔包，研究种其有 较低高径比( “l d t l 6 ) 的双环流气升式反应器嗣( 如图1 3 联示) ，列其流动珊象进行模拟 计算，研究不同的液相外循环流量及不同表观气速、不同的结构尺寸对反应器内气、波运动 豹影响，得出整个流场参数分布。以验证删术在环流反应器研究稀设计中的可行性，并 希望通过本课题的工作为从更微观的角度对气升式生物反应器的设计放大研究提供实验数据 和改进思路。这将对气升式环流反应器的设计和操作、反应过程盼讹以及工业装嚣的经济 效益的提高具有参考和指导意义。 1 5 期略乏鹊麟 拟开展的其体工作如下： ( 1 ) c f d 数学模型建立。结合气液两相流理论的研究i 隰，建立适合用于气升式环流反 应器的数德模拟的方案，包括计算域网格划分、计算模型和数值计算方法的选择等。 ( 2 ) 进行模拟成果与实验成果验诞工作。将数傻模拟毒 算结果与已有的实际实验结巢相 比较、分析。 ( 3 ) 进行可视化结架分析。分析得至l 的气升式环流反应器流场参数分布状况，研究不同 操绛参数和结构参数对其性能的影响。 郑州大学硕士学位论文 2 计算流体力学模型选择及分析 2 1 概述 计算的结果既暇决于 寸算方法，也取决于数学模型本身，如果数学模型的描述不够精确， 甚至不恰当，其计算结果也就没膏倒可的价值可言。流场的数值模拟方法，是上世纪7 0 年代 以来现代数字计算机、数值分析学、计算流体力学等学科最新发展的结果。随着电子计算机 技术和数值计算方法的飞速发展，人们试图通过数值技术的方法依据边界条件，来直接求解 控制方程，解决具有强烈非线性的流动现象，从而形成计算流体力学这学科分支。这种模 拟是在给定的物理条件下，求解控制着物理过程的若干变星在空间的分布和随时间分布的演 变。 本文利用计算流体动力学c f d 软悯i 皿盯对气升式环流反应器进行数值喇重l 研究，本 章将首先对数值模拟中各环节作介绍，包括模拟选用的湍流模型、计算方法、差分格式、网 格的生成等。最终确定出适合本姗究的模型和数值计算方法。 流体流动要受物理守匿定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定 律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分( 组元) ，系统i 丕要遵守组分守恒定律，如果 流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。 一个完整的计算流体力学模型应包御口下几个方面的内容： 1 本构方程。即流体力学基本方程：质量方程( 连续性方程) 、动量方程、能量方程、 状态方程等。 2 湍流模型。不同于层流，湍流模型必须考虑流体单元的脉动速度，脉动是湍流流动 的基本特征，模型的建立及求解过程实质是寻找由于脉动而引起的运动粘度的表达式。 3 多相流模型。对于多相流模拟计算爿说，基本的湍流模型还不够用，需要进一步寻找 各相运动规律及相间作用力规律。 4 模型求解的数值方法。在对模型进行计算时，需要选择好的差分格式、松弛因子、时 间步长等，以使结果收敛和尽量、砒! 删【j 垂算时间。 郑州大学硕士学位论文 2 2 本构方程 质量守匿定律( m a 嚣_ c o l 糯删0 n 钟枷0 n ) 可表述为：单位# 捌内流体徽元体中质氯的增 加，等于同一时阀闻隔内漉 该微元体的净质量。按照这一定律，霹以得出质量皆蟹疗程： 望+ 型+ 型+ 型：o ( 2 - 1 ) 西苏却瑟 e 式左侯搽萌哥空审| j 体内豹质量变纯量，右端表示控弗l 体内的累积。任何流体的流动均满 足此方程，对于稳态或非稳态流动、理想流体或实际流体、不可压缩流体或可压缩流体、牛 顿型或j e 牛顿型流体e 自适用。 若用符号v 耘搬，即：v 似口产等+ 熹+ 警 i 轻。l 可写成 挲+ v ( 户二) ：o ( 2 - 2 a ”。 式中，p 是密度，r 是时间，“是速度矢量，“、v 、w 是速度矢量聪磋欧、y 、z 方向上的 分量。 上面给出的是瞬态三维可压流体的质量守恒方程，羲流体不可压，皴p 为黄擞，式2 1 变为： 娑+ 娑+ 娑= o ( 2 3 ) 穰洳彘 。 若流动处于稳态，密度不随时间交化，式硝化为 掣+ 掣+ 掣：o ( “) 删 洲 c 学 质量守随芍陧也翻新馏萋卖方程( 。嘣删t y 。q m 曲n ) 。 2 1 。2 动爨守憾方程 动星守餐定律也是翎劂系绕蕾陇须满退的基本定律。该定律可表述为：微元体中流 郑州大学硕士学位论文 体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和，该定律实际上是牛顿第 二定律。按照这一定律，可以导如x 、y 和z 三个方向盼动量守恒方程( m 瑚c o n 姑面0 n e q 幽) ，也称为n a v i 艇- s 烈躞方程，篱$ i 烈s 方程i 掣十掣+ 挈+ 掣= 昙( 罢) + * 豺孔静歉 缸 移 如 缸i ，蕊j 。西 却j 玉l ”a zj 融。 等+ 掣+ 等+ 掣= 昙( 喀瑚豺鲁( ) 寺s 。 西 苏 知 如 良1 7 缸j 加l 加j 如i ”恕ja ，v 掣+ 警竽+ 警笋+ 煎竽= 昙( 警) 十号( 孝) + 鲁( 警) 一謇+ & 拼氨 咖 瑟盘1 7 氩钟i 踟j i 恕j | 耱” f 2 4 c ) 舰、肌、s 是动量守恒方程的广义源项。 n s 方程比较准确地描述了实际的流动，粘性流体的流动分析均可归结为对i h 历程的研 究e 自于其形式甚为复杂，实际e 疑有极少量隋况可以求出精确解。这也是计算流体力学进 行计算的最基本的方程。 m s 方程描述的是任瞬时流体质点的运动规律。原则e 讲方程既适用于层流，也适用于 浠毓。但旌滴黼中，流俅顶点呈商羽稻毓帆永动，各物理量亦高掘c 睦衣动，镁鹭辩哪 无法追腻袅 些极为错综复杂的流体质点狃漩涡。国外已有学者用大涡模拟方法求解n - s 方程，但仅在探索 狳段，搬豹计算中仍薯翻雷诺平均来处理方程 蹦嘲聊压力进行刚渤燃慵谎熊翠后，代零撇燃翔辫黼诺 平均即得到描述湍流流动的雷诺方程和时间平均的连续性方程h 1 瑚。 v ( 露) = o( ”) p ( 等+ r 詈) - 一筹+ 善 ( 善+ 篝) 一面瓦 + p 瓦 。撕， 善中：阢= 村，+ q ，p = p 十p “ 郑州大学硕士学位论文 式中，以、j p 为时均值，“，、为脉动值。当时间间日蘸t 很长时，有 毪= 艘 f u ，斫 ( 2 _ 7 ) 此时“，不再是时间的函数，这种平均方法称为雷诺平均。 在上述雷诺方程和时间乎均的连续性方程中，除了“= ( x ，弘z ) 和p 四个未知数，新增力蟊 了群? 、甜；、“? 、甜：辩j 、“；：、“六个脉动速度的二阶固预，即雷弦；i 应力项，但方 程只有四个，方程是不封闭的，为了求解时均化方程组，必须找出足够的关系式，使方程组 在数学匕成为封闼的，不同键斓方法梅成了不同豹湍流模型。 2 1 3 能量守恒方程 自遗守恒定律是昏鼾臻咬换的漉魂系统必匆澈的基本定律，该定律可表述为：微元 体中胄量的增加率等于进入微元体的净热流量女n 上体力与磁力对微元体腰 故的功，该定律实 懒力学第啶律。牛黝雠以泓蔓r 为变最的髓制旬亨程( 黜蟛c o t 嘲猢d o n 。嘤刎肌) 为： 等+ 挈+ 等+ 挈2 采卦尜讣尜和 a彘 咖 赴 蕊lc 苏j 却ic 却j 西lc 却j 7 ( 2 - 8 ) 其中，c ，是比热容，丁燃，七为谚琳的的 撼系数 品为流瘁的内燃由 罐i 性 作用流体机城能转换为热的鲁盼，有时德称为粘性耗散项。 虽然自镬 方程是流蝴与传热问题的基本控制方j 陧，但对于刁词珏流动，若热交激量 很小以至可以忽略时，可以不考虑能量守俺方程。 2 ，2 湍流模型 2 2 1 湍漉的基本方程 绝大多数的流动现象都属于滴瀛而觎翩1 隙是高度复杂的，其理论研究发展j 丕彳艮刁_ 完 善t 有许多地方需要进行大量的半经验的假设，至今还没有种方法能够全面、准确的对所 存流动问题中的湍流现象进 i 模拟。在涉及湍流豹计算中，都要对湍流模型自模拟b 力以及 郑州大学硕士学位论文 计算所需系统资源进行综合考虑后，再选择合适的湍流模型迸行模拟。 般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程和n 州舒- s 词鳅涝程对于湍流的瞬 时运动仍然是适用的，在此，考虑不可压流动，使用笛卡几坐标系，黻矢量二在x 、j ，和= 方向分量为“、v 和w ，可写出湍流瞬时的控秘方程如下： d i v 二= o 詈+ 柳( = 丢罢+ 诚v ( g 脚 ) ) ( 2 - l o a ) 詈砌( 咖弓考+ 曲( 蒯) ( 撕) 警砌( w 加一吉考+ 诚( 删( w ) ) ( 搬) 为了考察脉动的影晌，目自扩泛采用的方法是时间平均法，p 把湍流运动看作是由两个 漉动叠加面成，一是时间乎均流动，二是瞬时a 录动流动。这榉，将脉动分离出来，便于处理 和进步的探讨。引入r 掣n o l d 斟均法，侄变量的时间平均毽定义为： = 去一西 ( 2 1 1 ) 庐表示变量对时间的平均值，如果再用上标“”表示脉功癯，则物理量的瞬时僮庐、时 均傻及脉动艇矿之问努蛔下关系： 矿= i + 矿 ( 2 _ 1 2 ) 用各变量的平均值与脉动值之和代替流动变量，代入司型卖方程( 2 _ 9 ) 和动量方程( 2 _ 1 0 ) 对时闻取平均，两时考虑到平均密度的变化，忽略密度脉动的影响，可以得到湍流时均流动 的控南# 方程，引入张量中的指标符号，垂写方程如下( 为了方便起觅，除脉动值的时均值外， 正式中去掉了表示时均值的翅黻；符号“一”，如庐用庐表示) ： 畦均连续方程： 害+ 昙( 雕。) ：o ( 2 - 1 3 ) 西氟一 。 1 6 郑州大学硕士学位论文 时均r c y n o l 凼方程： 昙c 删沙砉c ，一言+ 毒卜等一p 瓦j + s q - - t ， 变量西的时均输运方程 鲁c 删，+ 毒c 倒矽2 毒卜考一p 丽j + s 口巧， 可以看出，时均流动的方程里多出与一p 五河，有关的项，这i 页定义为r 鲫捌d 浏) 。 2 2 2 湍流模拟方法 总体而言，目前的湍流数值模拟方法可以分为直接数值摸拟方法和非直接数值模拟方法 耐谈，肺胃剞擞觥戮撇黝瞳捌獬瞬啪毓黼i 嘶柳 略l o ) 。而j 雠 模拟方法就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。 因所采用的近似和简化方法不同，非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和黜y 地 平均法。图2 - 1 是湍流数值模拟方法的分类图。 直接数值模拟方法( 嚼) 方法最大的好处是无需对湍流流动作任何简化或近似，理论 上可以得到相对准确的计算结果。但是d n s 方法要求求解时有特别大量的网格节点和十分小 的时间步长，对内存和计算速度的要求非常高，目前还无法用于真正意义上的工程计 算。 直接模擞方珐中又分大泸p 匿拟( u 三s ) 、r 衅平均法和统计平均法。大涡模戡方祛的 基本思想可以概括为：为了模拟湍流流动，一方面要求计算区域的尺寸应大到足以包含湍流 运动中出现的最大涡，另方面要求计算网格的尺度应小到足以分辨最小涡的运动。因目前 的计算机能力有限，能够采用的计算网格的最小尺度仍比最小涡的尺度大的多，因此l e s 方法 放弃对全尺度范围上涡的运动的溪拟，只将比网格尺度太的湍流运动用瞬时的n - s 方程直接模 拟湍流中的的大尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。总体而言，l e s 方法对 计算机内在及c p u 的速度要求仍比较高。 统计平均法是基于湍流相关函数的统计理论，主要用函数及谱分析的方法来研究湍流结 构，统计理论主要是涉及小尺度涡的运动，这种方 去在工程匕应用不广泛。 郑州大学硕士学位论文 f i 掣l 铷i l u l 疵m 酬1 0 do t 舢a w 甜日a m o l v i 瑚d e l 从目前发表的文献看，工程应用中对环流反应器内复杂流场的数售溪拟，基本仍是以基 于求解酬凼时均方程及关联量输运方程的湍流漠拟方法，即号 入湍流模型，利用菜些假设， 将r e 娜溅时均方理或者帮糖潴缀璧的输运劫陛中高阶的泰知关媵嚷用低阶关联项或营时= 啕 量来表达，从而使r 鲫1 0 1 d s 时均方程封闭可求解。y n o l 妒僦的揍i 正是不壹接求解瞬时 晰s 方程，而慰b 娴玺黼时均化的i 奶砌d s 方睫。这样不仅要以避免脚临方法的计筻r 量大 的问题，而且对工程实际应用可以取矧酲好的效果，r 蜘叫d s 平均法是目前使用最为广泛的湍 流数值模拟方法。 考察r e y l d s 方程( 2 - 1 4 ) ，方程中有关溃滤晒，勘俊悯于薪未知量，要使方程组封闭， 必须对蛳j d s 应力作出某种假定，即建立应力的表达式，由于没有特定的物理定律可以用来 郑州大学硕士学位论文 建立湍流 型，所以目前的湍流模型只能以大量的实验观测结果为基础。根据对r 鲫l d s 应力 作出的假定或处理方式不同，目前常翔的湍流模型有两大