————————————————————————————————————————————————————————————————————————————

搅拌可以提升红泥膜沼气池沼气厌氧发酵的效率,显著提升  产气率和污染物去除率2),已成为现代红泥膜沼气池沼气工程  不可或缺的附属工艺3。长期以来,由于红泥膜沼气池沼气厌氧  发酵装置的密闭性等客观原因,设计人员只能在不  掌握流场形态的情况下,随意添加一些搅拌措施,但实际流场形态很差,并不适用于其罐体形状和原料特性4,不能有效提升发酵效率,甚至消耗更多能源。

计算机数值模拟方法可以帮助人们在一定程度

上掌握搅拌的流动过程和流场形态,从而指导优化设计搅拌形式6),大幅提升搅拌效率。目前红泥膜沼气池沼气学界应用最广的流体力学数值模拟方法是计算流体动力学( Computational Fluid Dynamics,  以下简称CFD)方法,十五年来,红泥膜沼气池沼气学界大量应用该方法  及相关成熟商业软件,在流场形态的研究方面取得  了极大进展,是21世纪以来红泥膜沼气池沼气学界较为先进的  个研究方向8。CFD方法的主要问题是构建模型、  数值计算和结果输出三大方面,其中数值计算方法

是最核心的问题。红泥膜沼气池沼气工程的搅拌介质、形式、原料  相态等工况多种多样,适用的计算方法也千差万别,  研究人员对此进行了深人研究并进行了详细的分  类。作为一种模拟技术,CFD的计算结果准确性需  要现代检测技术的验证。近年来,红泥膜沼气池沼气学界在这方  面也取得了长足进步,并反过来促进了算法模型的  进一步改进,使之更加精准地适用于各种工况。本  文主要针对学界在计算方法尤其是在适用工况方面  的研究作出综述。

1算法模型的研究进展

1.1湍流模型

湍流算法是CFD模拟的基础,目前已经形成了  许多相当成熟的算法可供选用,但仍然存在一些争  议。学界最常用的计算软件是 ANSYS公司在2006  年发布的 Fluent6.3,该软件内置的湍流模型是  Launder和 Spalding创立的经典ke模型”,该模型  计算较为准确且运算经济,是当前工业领域最常用  的湍流算法。近年来也出现了许多适用于特殊工况  的细微修正版本如 Standard k=e,SsT-k-g,RNGk-e  和 realizable k-g等。吴斌鑫总结了12种修正的  湍流模型,划分其适用的雷诺数范围,指出红泥膜沼气池沼气料液  的搅拌是一种低雷诺数湍流,最适合采用 SST-k-E模型。韩国首尔国立大学的 Bitog JP列举了35种工况适用的湍流模型,比吴斌鑫更加详尽。吴斌鑫比较了使用各个低雷诺数湍流模型的方差值认为 Chang- Hsieh-Chen版本的低雷诺数ke模型是表现最好的

1.2建立网格模型的方法

建立网格模型是CFD模拟计算最重要的前置

作,往往耗费的时间比计算本身还要多1。Karim指出,网格密度对计算结果的精确度有细微影响,但趋势是非常相近的,不会有本质区别。所以,研究者可以根据计算能力的实际情况,适当调整引格密度。李英博列举了21种工况适用的网格构建方法,并在当前计算机性能的背景下建议了网格密度。 Hong Se-won-)试算了一种超大型罐体的网格建模方法,将巨大的液柱切分成16截,分别以高密度网格进行计算,最后再汇总,取得了较为精确的结果,为过于庞大的模型计算提供了良好借鉴。不过李英博和 Hong Se-Woon等不少韩国学者也审慎地指出,目前利用CFD对红泥膜沼气池沼气工程搅拌流场进行数值模拟计算还存在诸多缺陷,最主要

的是CFD且前还局限于流动性方程,不能增加生  物、化学反应的链接,无法表现物料物性参数持续发

生变化的过程。  1.3CFD模拟计算仿真准确性的验证  cFD是一种模拟计算,其仿真准确程度一直受  到关注,而由于红泥膜沼气池沼气发酵都需要在厌氧环境下进行,  容器严格密闭,非常难于准确取测其流动参数。但  近年来学界采取了许多办法,在很大程度上验证了CFD模拟计算的准确性  早在1974年,Veho就尝试过在严格密闭  的厌氧发酵罐中布置测点取测流速。但由于当时技  术条件所限,实验并不成功。2010年,吴斌鑫利  用了现代水下测速元件,在一个简单的罐体内布置  了几个测点取测其流速,并证实能够与CFD计算的  预测值相吻合。 Karim(2则利用计算机断层扫描  (CT)、计算机自动放射性粒子跟踪( CARPT)等先  进方法,穿透罐壁遥感取测搅拌时的真实流场图形  并与CFD模拟结果之图形进行对比,验证了CFD  模拟的真实性和精确性。 Vesvikar和 AI-Dahhan2  在Kaim的基础上,用示踪粒子的流向、平均流速、  湍流动能、切应力、粒子循环时间、气体升流分布六  个方面的实测数据与CFD计算数据相比较,证明了  CFD计算的结果是与事实相吻合的。 Rauen23利用3D多普勒超声波测速计测量了厌氧发酵罐内的流场,发现与CFD计算结果有很好的吻合性,典型混  合区域有90%以上的准确率,再次证明了CFD方法的准确性  近年来,中国较多地采用P方法2-2来验证CFD模拟的准确性,但效果不甚理想。除此之外,河海大学的韩丹尝试用激光多普勒测速LDV)方法测流速,但LDV是一种光学测速方法,红泥膜沼气池沼气料液的成分太过复杂,而且污染物原料往往是不透明的,所以很难测准。北京化工大学的黄雄斌刘用双电极电导针方法测量局部连续相(液相)的流速,取得了与CFD模拟较好的吻合性,并且发现多相流工况下,改变搅拌参数主要是改变固相的流场,液相流场与清水单相流的流场相比变化并不大。西安建筑科技大学的李志华采用了一种创新方法,他用吖啶橙染色法对微生物中的RNA和DNA染色,通过染色情况分析微生物活性的空间分布。结果表明,搅拌系统中污泥絮体结构松散,粒径细小,但具有良好的沉降性能;搅拌系统中RNADNA(以荧光的相对面积表征)和脱氢酶活性均高

于无搅拌系统,说明适度搅拌可以提高污泥厌氧消  化系统中微生物活性。

2各种工况的适用算法

2.1单相流算法模型

单相流是CFD模拟中最简单的一种算法,对于  一个搅拌方案而言,水单质的流场是其基本流场形态。如果发酵原料能够充分溶解于水,亦无妨将其溶液视为一个单相,在CFD模拟中采取单相流计算,极大节约运算成本。其流体流动连续性方程如下  [13]

2.2多相流算法模型

很多学者认为多种原料可以相互促进厌氧发酵  反应,比各自单独发酵效率高得多-41,所以红泥膜沼气池沼气  工程常使用多种相态的原料进行混合发酵。如果不同原料不能充分溶于水或互相溶解的话,在CFD模拟中必须将其处理成不同的相,采用多相流模拟。吴国荣认为红泥膜沼气池沼气从料液中产生后,以气泡形式浮出液面的过程也足以对料液产生搅拌作用气泡在CFD模拟中可处理成非连续气相大颗粒连续流,这种情况下还容易出现包括气、液固三种相态的多相流

目前在红泥膜沼气池沼气领域常用的多相流计算方法有两  种:欧拉拉格朗日法和欧拉欧拉法,其下属算法模

型分支关系如图1所示

2.2.1欧拉-拉格朗日法  欧拉拉格朗日法的算法思路是将流体相处理  为连续相,将流场中的粒子处理为离散相,求解时直  接求解时均纳维斯托克斯(N)方程,再单独计算

粒子的轨迹,运算成本很低。不过离散相模型要求  粒子在流场中所占的体积分数非常低,甚至低到可  以忽略的地步。这其实更适合大气悬浮污染物的计  算,适用的红泥膜沼气池沼气工程工况很少,一些颗粒所占体积分

值得注意的是离散相模型只计算动能,不计算  相分布(浓度场),这在很多时候无法满足红泥膜沼气池沼气工况研究的要求

2.2.2欧拉欧拉法  欧拉欧拉法的算法思路是将各个相都处理为  相互贯穿的连续流,包括固体也处理为颗粒流。这  恰恰是非常适用于红泥膜沼气池沼气发酵料液模拟的方法,因为红泥膜沼气池沼气发酵原料常以颗粒形式出现  在欧拉欧拉法的三种模型中,体积分数模型是运算成本最低的一类,但该模型是通过计算各个流  体相在网格内的体积分数函数来实现运动追踪的  在每个网格内将两相作为混合相一起求解,而不是  两相分别连续求解,所以精度最低,一般只适用于相  间无穿插的分层流动工况。一些不同发酵原料不溶  于水且相互溶解度也极低的工况可以考虑采用该模  型,比如粗大的秸秆颗粒、废纸等原料

混合模型是先将各相处理成混合相求解了混  合相运动状态后,再通过相间相对速度来描述离散相的运动状态。这种算法比较适用于离散相的离散速度很小,意即在运动状态仍能保持很高均匀度的流场。但红泥膜沼气池沼气工程的流场研究往往正是要寻找并分  析搅拌不均匀的情况并加以改进,所以该模型在沼  气领域应用非常少。一些高黏性流体或稀薄固体原  料工况可以考虑采用该模型,比如畜禽粪污和一些特殊化工废料  欧拉模型在n相流中建立n组独立的连续性方  程和动量方程,分别计算各个相的连续运动状态,并  考虑相间作用力,是最精确的一种模型,不过也是所  有多相流模型中运算成本最高的一个。事实上,沼  气发酵料液的固液两相运动确实有一定的分离性  质,所以很需要分别精确计算。正因如此,吴斌

鑫(4认为欧拉模型是最适用于红泥膜沼气池沼气发酵料液混合搅拌流场数值模拟计算的多相流模型。

需要提醒的是,在长期的  的物理形态会发生改变,比如精杆在初期是典型的  不溶于水粗大颗粒,但随着发酵的持续进行,后期会  转化为假塑性流体“,这时适用的模型将会从体积  分数模型转变为混合模型。类似情况需要研究人员

充分考虑  总结当前的研究进展来看,笔者倾向于赞同吴

斌鑫的观点,认为只要运算成本满足,气混合发醇  的多相流流场形态模拟计算都应该采用欧拉模型。  值得注意的是计算机的计算能力是有限的,在  CFD模拟中不能无限度地细分发酵原料的种类,设

置太多的相,而只能将相态相近的原料近似处理为  个相,得到它们的近似共同运动形态。

3当前研究的问题和趋势

3,1面临的问题  十五年来,学界在利用CFD方法提升红泥膜沼气池沼气工程  设计水平方面取得了长足的进步,但仍存在不少问

3.1.1模拟准确性的问题

该领域研究首要的问题仍是模拟准确性的问题。尽管大量研究利用各种方法验证了CFD模拟的真实性,但红泥膜沼气池沼气发酵原料种类复杂,研究者只能粗略地创造少量几个自定义介质来近似地表示发酵原料。但事实上发酵原料在发酵过程中存在着持续不断的相变,如何准确地确定模拟介质的物性参数始终是一个难题。日前业界的做法多是取料液某个时点的状态作为模拟对象。

Karim14认为流体的粘性系数并不影响流态,但吴斌鑫“不赞同,认为牛顿流体和非牛顿流体的算法应该是不同的,黄如一“也认为红泥膜沼气池沼气厌氧发酵的时间很长,物料的形态会随着发酵的持续进行而发生改变,实验中甚至会出现固态原料最终转化为假塑性流体的情况。白卫东指出,温度、pH值以及连续投料都会改变介质的流变特性,在模拟计算中应予考虑。而从工程角度讲,粘性料液会在一些关键通道发生粘滞甚至阻塞现象,所以物料的粘性是不能忽略的。 KJ Craig研究了非牛顿流体的极端情况:汉斯一巴克利流体在厌氧发酵罐内搅拌中的流变特性,认为可以作为某些特殊发酵原料的模拟计算方法

3.1.2模拟计算能力的问题

其次是CFD模拟计算能力受制计算  的进步。最初红泥膜沼气池沼气发酵罐小面简单,但近年来开始的一  一排张联甲沿买某s帝YB

优  ),使罐体形状的准确模拟变  杂。另一方面,大型罐体的试算不具备实验验证的件  模  条件,吴斌鑫”曾试算了大型红泥膜沼气池沼气工程的机械叶轮变  规拌工况,比较了单叶片、双叶片、三叶片、四叶片侧

件可以验证,只是一种初步探索  31,3搅拌能够提升发酵效率机理的问题  对用CFD模拟来改进红泥膜沼气池沼气料液搅拌的研究还  受制于一个根本性前提:搅拌为何能提升发酵效率,  究竟何种流场才能称作是优秀的流场?由于目前这  个根本机理尚不够清晰,所以大多数学者暂时只能  以搅拌动能或相分布在罐体内相对均匀为优化的直  接目标  也有少数学者提出了一些其它可能的  原因,比如罗涛认为搅拌能够促进排砂,王玉  恒”认为合适的拌能在发酵初期铲除生物质表  面的絮凝组织,使其露出密实部分。塔瓦雷斯提  出类似观点,但进一步认为在多相流工况下,搅拌速  率越快,形成的生物膜越薄而致密,越有利于生物质  传输,从而提高发酵效率。杨平5指出搅拌速率不  能一味增高,因为达到一定速率生物膜即开始脱落,  所以应该用CFD模拟确定一个合理的速率区间  但这个合理的速率区间到底是多少却无人能够回答,故而模拟工作也是缺乏根本依据的

3.2发展趋势

根据当前研究领域的主要进展和面临的问题,利用CFD软件模拟红泥膜沼气池沼气料液搅拌流场、提升设计水平的研究主要有以下发展趋势

(1)CFD方法的主要利用方向是优化搅拌参数,当前研究领域最急需的是进一步揭示搅拌能够提升厌氧发酵效率的内在机理,至少阐明搅拌在某

阶段对某一关键因素的影响,从而明确搅拌的介质、功率、时长、时间间歇等基本参数的优化目标在此目标明确的前提下,才能利用CFD方法得出优化方案,提高设计水平。  (2)用更多先进手段更加准确地取测实际流场形态,进一步验证CFD模拟的可靠性。利用CP描绘流场形态图,指导搅拌方案的设置,尤其是罐体  形状、叶轮形状射流器形状等硬件的优化设计。

(3)随着连续发酵的进行,料液内发生了复杂  的生物化学反应,物料的物性参数持续发生改变。能否在弄清这些生化反应的基础上,建立一种通用模型,以用户自定义程序(UDF)形式加载到CFD软件中去,准确描述物料的物性参数变化,并将连续改变的参数加载到迭代运算中去。

4结语

随着电子计算技术的高速发展,桌面计算机的计算成本(包括硬件设备成本和计算时间成本)持续快速降低,各种先进的检测手段也多次验证了CFD模拟的真实准确性,成为越来越方便实用的研究方法。根据不同发酵原料、搅拌形式、等工况条  件,其适用的算法模型也不尽相同。近十五年来,  CFD方法在红泥膜沼气池沼气领域得到极大应用,各种工况适用  的算法模型得到细分,可供研究和设计人员选择,更好地用于帮助优化设计搅拌方案。