计算流体力学在生物反应器水力学特性研究中的应用(浙江大学)

计算流体力学在生物反应器水力学特性研究中的应用

张吉强（20914037）2010.4.29

一、引言1、生物反应器水力学特性及研究意义

生物反应器的水力学特性（气含率和液体运动速率等）直接影响反应器的传质、混合等各个方面的性能，制约着反应器的效能。因此，水力学特性是生物反应器设计、放大和优化的重要参数。2、传统水力学特性研究方法的局限性

生物反应器内一般是由气-液-固三相组成的混合反应体系，使得反应器内物料混合和流动过程十分复杂。传统水力学特性研究主要是依靠半经验关联式或实验测量，存在着偏差大，设计周期长，消耗巨额的资金和大量的人力物力等问题。3、计算流体力学研究水力学特性的优点

计算流体力学由于其强大的数值运算能力，可以解算用解析方程不能求解的方程，解决某些理论流体力学无法解决的问题。其应用还可减少实验测试次数，节省大量的资金和时间，并能解决某些由于实验技术所限难以解决的问题。此外，其结果精确，能得到传统研究方法不能获得的细节信息。二、计算流体力学及其原理

1、计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何和数值分析等学科。它利用数值方法通过计算机求解描述流体流动的数学方程，来获得空间和时间离散位置处的数值解，揭示流动的物理规律和特性。2、计算流体力学原理

任何流体运动的规律都必须遵循以下三个定律:质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律。这些基本定律可由数学方程组来描述，如Euler方程、N-S方程。Euler方程N-S方程3、计算流体力学要素数学模型离散方法计算网格求解方法计算结果的后处理验证与确认

三、应用实例WangX,DingJ,RenNQ,etal.

CFDsimulationofanexpandedgranularsludgebed(EGSB)reactorforbiohydrogenproduction.Internationaljournalofhydyogenenergy,2009,34(22):9686-9695.

1、Introduction

AnattemptwasmadetouseCFDsimulationtoanalyzehydrodynamicsinformationinanEGSBreactorusedforbiohydrogenproduction.Withthehelpofthismodel,thehydrodynamicsoftheEGSBreactionzoneatvariousconditionsofHRTweresimulated.Theflow

fields,velocity

distributionandvolumefraction,weresimulatedfordifferentHRTsandtheseresultswereusedtoimprovethereactordesignandtooptimizereactionconditions.

2、Materialsandmethods2.1

Thelaboratory-scaleH2-producingEGSB

2.2

Computationalfluiddynamicsmodel2.2.1

Eulerian–Eulerianmodel(1)

Atwo-dimensionalEulerian–Eulerianthreephasefluidmodelhasbeenemployedtodescribetheflowbehaviorofeachphase,sotheH2gas,wastewaterandsludgegranulesarealltreatedasdifferentcontinua,withwastewater

astheprimaryphase,andthegas&sludgegranulesasthesecondaryphase.(2)Eachphaseispresumedtobeincompressibleinthisstudy.Itispossibletomakethisassumptionaboutthegasphase,asthisphaseispresentasverysmallbubbleswhich,asaresultoftheirsizedoexhibitincompressiblebehavior.(3)Thesludgegranulestookupabout35%ofthevolumeinthebedregionandwereconsideredtobe1mm-diametersphericalsolidgranuleswithadensityof1460kg/m3.Thehydrogengaswasassumedtohaveadensityof1.225kg/m3.Thegasbubbleswereassumedtohaveadiameterof0.1mm.2.2.2Governingequations2.2.3

Interphasemomentumtransfersssss2.2.4

Turbulenceclosure2.2.5

Numericalsolution2.3

Tracerexperiment3、Resultsanddiscussion3.1ModelvalidationanderroranalysisTherelativeerrorbetweenmeasuredandsimulateddatawaswithin10%indicatingthatthemodelprovidesagoodoveralldescriptionofreactionzonebehavior3.2Hydrodynamicsanalysis3.2.1

Watervelocity3.2.3

Volume

fractionofthesludgephase3.2.4

Volume

fractionofthegasphase3.3

Hydrogenproductionanalysis4、Conclusions

Experimentaldatafrombiohydrogenproductionintegratedwithoursimulationindicatethataqualitative