厌氧发酵反应器内温度场的数值模拟

杜 越，刘建禹，王尚坤，朱坤展，贺佳贝

(东北农业大学 工程学院， 哈尔滨 150030)



厌氧发酵反应器内温度场的数值模拟

杜 越，刘建禹，王尚坤，朱坤展，贺佳贝

(东北农业大学 工程学院， 哈尔滨 150030)

厌氧发酵反应器是沼气发酵工程的重要装置，由于其内部反应十分复杂，因此发酵反应器内的局部流动和传热过程的研究一直是一个颇具研究价值的问题。掌握反应器内的温度分布是厌氧发酵过程控制工艺优化的基础，对反应器的温度控制起着至关重要的作用。为此，采用CFD(计算流体力学)的数值模拟方法对发酵料液内的温度场、速度场进行模拟，分析了反应器内料液的流动和换热情况。由于发酵料液的流动速度非常微小，基本可以忽略不计，因此反应器内部料液与反应器侧壁和地面之间热量传递方式以导热为主，可以忽略对流换热作用。由此为今后进一步研究提供理论依据。

沼气；发酵反应器；温度场；CFD

0 引言

面对日益严重的能源危机问题，新能源的开发、转化和利用等科学技术的发展将对世界能源的可持续发展起到重要作用。可再生能源能为人类的生存与发展提供巨大的能量，足够人类长远利用，是人类社会未来能源的基石[1]。根据全世界可持续发展战略的要求，生物质能源的研究与开发已成为当今世界的热点问题。其中，厌氧发酵制取沼气的生产工艺和技术研究受到越来越广泛的关注。在沼气的生产过程中，温度是影响厌氧发酵的关键因素之一，如果要使沼气工程常年稳定运行，保持恒定、高效的产气量，就必须对厌氧发酵料液的温度进行严格控制，使发酵温度不随环境温度变化[2]。因此，在北方寒冷地区，由于受到季节和地域的限制，研究如何有效控制厌氧反应器的能耗，是沼气工程发展必须解决的问题。

厌氧发酵反应器内的料液是复杂的固、液混合物，属于假塑性非牛顿流体[3]。同时，在厌氧发酵过程中沼气的产生，导致反应器内的料液呈现出气、液、固多相共存的复杂状态，利用实验手段很难获取影响反应器内料液传热特性的相关参数。近年来，应用数值CFD模拟来进行传热机理的研究是一种可靠精准的新方法[4]。CFD是计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)的简写，其基本的定义是通过计算机进行数值计算和图像显示，分析包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统[5]。CFD数值模拟能够提供发酵反应器内的局部流动和温度场、速度场等，具有较好的应用前景[6]。

1 数学模型的建立

实际的发酵反应器内的料液流动情况十分复杂，为了便于计算，忽略影响非常小的因素，做了一定的合理简化[7]，主要研究对温度影响比较大的因素。对厌氧发酵反应器的简化基于以下假设：

1)发酵反应器上部作为绝热处理。

2)发酵反应器壁除了与加热盘管接触的部分，其余作为绝热处理。

3)由于料液在不同温度下物性参数变化较小，可视为常物性；密度随压强变化很小，可视为不可压缩流体。

4)满足Boussinesq假设[8]，也就是忽略不计流体中的粘性耗散。

基于以上假设，在无搅拌的情况下，模型可简化为非稳态自然对流传热模型。自然对流传热规律用以下方程描述[9]：

连续性方程为

(1)

动量方程为

(2)

(3)

能量方程为

(4)

设定初始条件：开始时，反应器内的料液经过一段时间的静置，温度已经与室温20℃达到平衡，因此取初始温度T=293K，初始速度u=v=0。

设定边界条件：侧壁加热温度T=323K，顶面和底面温度T=293K。

计算过程中所需要的发酵物料的热物性参数如表1所示。

表1 发酵物料的热物性参数

利用FLUENT解决问题的基本步骤为：

1)将实际问题简化和抽象成计算模型并据此建立实体模型；

2)一般在Gambit里面建立模型，并生成网格后导入FLUENT里面进行解算；

3)建立基本方程和设定适合的初始条件和边界条件，输入研究材料的物性参数；

4)设置压力压强等参数，控制计算变量，初始化速度场及温度场，进行计算；

5)后处理分析，根据计算结果分析。

下面将按上述步骤建立厌氧发酵反应器的温度场和速度场计算模型并求解，求解区域如图1所示。

2 计算与结果分析

用Fluent6.3软件对上述模型进行模拟求解，计算中采用Hex与Cooper结合的方式划分网格，Fluent中设定稳态隐式有限容积SIMPLE算法，计算精度选单精度格式。

SIMPLE算法的求解步骤：

1)确定研究对象的物性参数、松弛比，对计算区域进行网格划分；

2)选取适当的迭代初始值；

3)利用初始值求解沿X、R方向的运动方程，得到新的近似值u’、v’；

4)对压力修正值方程进行求解，得到p’；

5)如果求得的u’、v’、p’不满足收敛条件，则反复迭代以求得更好的近似值；如果满足收敛条件，则所求解为u、v、p。

考虑到发酵料液的粘度较高，在接近反应器壁的区域采用网格加密画法。网格划分如图2所示。

图1 求解区域示意图

图2 求解区域Gambit网格划分示意图

由于发酵反应进行较慢，选择加热时间分别为1、5、10h，通过计算结果分析厌氧发酵反应器内料液流动情况和温度分布情况。

图3为经过1h后发酵反应器中沿直径竖截面的温度分布情况。从温度场的分布可以看出：只有反应器外壁附近的温度变化较明显，内部基本没有变化。图4为上中下3个横截面的温度分布情况，上下两个截面温度较低，中间截面温度较高。图5为1h后装置中发酵料液中央横截面温度分布图，同样是反应器外壁附近的温度变化较明显。图6为经过5h后反应器中沿直径竖截面的温度分布情况，与1h相比并无明显变化。图7为经过10h后发酵反应器中沿直径竖截面的温度分布情况，与之前两者相比有了明显变化，温度变化从外壁逐渐向中心处扩展。

图3 1h后发酵料液的温度分布图

图4 1h后装置中发酵料液横截面温度分布图

图5 1h后装置中发酵料液中央横截面温度分布图

图6 5h后发酵料液的温度分布图

图7 10h后发酵料液的温度分布图

由于10h后发酵料液的温度分布有较明显的变化，为了更准确地看出个节点的温度情况，得到各节点的温度散点图。FLUENT模拟结果中10h后各节点温度如图8所示。

图8 10h后各节点温度散点图

图9、图10分别为经过1h后和经过10h后的发酵反应器中沿直径竖截面的速度场分布云图和等值线图。从速度场分布可以看出：反应器内大部分料液的速度非常小，只有装置中部附近运动速度稍大，但也是很小的，基本可以忽略不计。与温度分布情况基本符合，10h后与1h后相比无明显变化，速度值很小，可以忽略不计。

图9 1h和10h后发酵料液的速度分布图

图10 1h和10h后发酵料液的速度分布等值线图

contourmapafter1hour

由此可见：与加热1h相比，加热10h后整个发酵反应器内的速度分布没有明显变化，料液的流动速度也很小，其速度分布与温度分布大体趋势相同。由于软件计算中边界层处划分网格较小,此处控制体体积也较小，其流动状态对整个反应器速度分布的影响相对较小。因此，在离线底端不远处，贴轴线处向上的流动速度大幅减弱,在反应器的大部分区域，流动速度很小，基本可以忽略不计。

3 结论

分析了厌氧发酵反应器的传热机理，运用Gambit建立发酵反应器的计算求解模型，设定合适的初始条件和边界条件采用有限容积法对方程进行离散处理，对模型体划分成均匀交错网格，对离散方程进行迭代

求解。运用FLUENT软件，对厌氧发酵反应器中发酵料液的速度场及温度场进行计算，对所得的不同时间的流动及温度分布的情况进行分析，得到如下结论：

1)确立了厌氧发酵反应器的物理模型为封闭腔内的二维非稳态导热模型，应用了描述其特性的数学模型包括连续性方程、动量方程和能量方程。

2)对厌氧发酵反应器中发酵料液的速度场及温度场进行分析，结果表明：经过10h后温度场有了较明显的变化，但速度场变化不大，速度值也非常微小，基本可以忽略不计。

3)FLUENT模拟结果表明：发酵料液流动速度非常微小，可以忽略不计；反应器内部料液与反应器侧壁和地面之间热量传递方式以导热为主，可以忽略对流换热作用，为进一步建立传热模型提供理论依据。

[1] 沈志远. 生物质能源利用的新探索[D].南京：南京林业大学, 2006.

[2] 刘建禹,樊美婷,刘科.高寒地区沼气发酵料液加热增温装置传热特性[J]. 农业工程学报, 2011(2):298-301.

[3] 刘刈.高浓度物料沼气发酵过程混合搅拌及其影响因素的研究[D].北京：中国农业科学院, 2009.

[4]BasakN,JanaAK,DasD.CfdModelingofHydrodynamicsandOptimizationofPhotofermentativeHydrogenProductionByRhodopseudomonasPalustrisDsm123inAnnularPhotobioreactor[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy, 2009,100(7):2228-2233.

[5]TerashimaM,GoelR,KomatsuK,etal.CfdSimulationofMixinginAnaerobicDigesters[J].BioresourceTechnology, 2009, 100(7): 2228-2233.

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[7] 何国敏. 现代化温室温度场数字化模拟研究[D].南京：南京农业大学, 2011.

[8] 孙跃. 二维方腔内空气对流数值研究[D].沈阳：辽宁工程技术大学, 2013.

[9] 张育民.基于CFD的热管两相流数学模型与数值模拟[D].广州:华南理工大学, 2014.AbstractID:1003-188X(2017)04-0252-EA

Keywords：methane;fermentationreactor;temperaturefield;CFD

NumericalSimulationofAnaerobicFermentationReactorTemperatureField

DuYue,LiuJianyu,WangShangkun,ZhuKunzhan,HeJiabei

(CollegeofEngineering,NortheastAgricultureUniversity,Harbin150030,China)

Anaerobicfermentationreactorisanimportantmeansofbiogasprojects.Becauseofitsinternalreactionisverycomplex,therefore,studyingthelocalflowandheattransferprocessoffermentationinthereactorhasbeenaconsiderableresearchwithgreatvalue.Graspingthetemperaturedistributioninthereactoristhebasisfortheanaerobicfermentationprocesstooptimizethetechnology.Itplaysavitalroleincontrollingthetemperatureofreactor.Inthispaper,CFD(computationalfluiddynamics)numericalsimulationmethodisadoptedatthetemperaturefield,velocityfieldwithinthefermentationliquidsimulation.Theliquidflowandheattransferareanalyzed.Sincefermentationliquidflowrateisverysmall,basicallynegligible.Thus,theinsideofthereactorwiththereactorfeedliquidheattransferbetweenthesidewallandtheground-basedapproachtothethermalconductivity,convectiveheattransfereffectcanbeignored.Itcanprovideatheoreticalbasisforfurtherstudyinthefuture.

2016-05-16

黑龙江省科技攻关项目(GA09B503-1)

杜 越(1988-)，女，哈尔滨人，硕士研究生，(E-mail)987123duyue@163.com。

刘建禹(1965-)，男，哈尔滨人，教授，硕士生导师，(E-mail)liujy@neau.edu。

S

A

1003-188X(2017)04-0252-04