利用CFD工具优化设计沼气工程流场形态的方法研究

冯 琳， 郭 亭， 赵 鑫， 罗 涛， 梅自力， 龙 燕， 黄如一,

(1.成都农业科技职业学院， 四川 成都 611130； 2. 四川省农村能源办公室， 四川 成都 610041； 3.乐山市农业科学研究院， 四川 乐山 614000； 4.农业部沼气科学研究所, 农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 四川 成都 610041)

搅拌是现代沼气工程必不可少的操作单元，可大幅提高沼气发酵效率，提升产气率和污染物去除率[1-2]。但由于沼气发酵必须在严格密闭的条件下进行，设计人员无从掌握搅拌时的流场形态，缺乏优化设计的依据，往往只能凭经验设计搅拌方式，有可能并不适用于其罐体形状和原料特性[3]，一些粗劣的搅拌工艺对发酵效率的提升收效甚微，甚至反而消耗更多能源[4]。现在计算机数值模拟方法可以在很大程度上解决这个问题，沼气发酵料液的搅拌本质上是在外力作用下的流动过程，数值模拟计算可以帮助人们掌握其理论上的流动过程和流场形态。而随着现代计算机技术的持续发展，沼气发酵装置内部流场的精确计算也变得越来越简便可行[5]。目前沼气学界应用最广的流体力学数值模拟工具是计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)。2002年，美国北卡罗莱纳州立大学的弗雷明[6](JG Fleming)发表了题为《Novel simulation of anaerobic digestion using computational fluid dynamics》的博士学位论文，是第1篇系统论述利用CFD方法研究沼气发酵料液混合搅拌流场形态的论文。此后，沼气学界大量应用该款成熟商业软件，在流场形态的研究方面取得了极大进展。尽管由于搅拌提升沼气发酵效率的根本机理尚不够清楚，所以关于搅拌的具体方法，学界尚存一定争议[7]。但是，利用CFD工具，研究人员可将搅拌所形成的流场可视化[8]，从而更加精确地验证和指导搅拌方式的设计[9-10]，使沼气料液搅拌领域的研究在很大程度上摆脱了不可视条件的束缚，提升至更科学、精准的可视化、数量化研究层面上来，是21世纪以来沼气学界较为先进的一个研究方向[11]。

国内外一些研究表明CFD可以较为精确地模拟出沼气发酵料液的流场形态。Vesvikar模拟计算了料液的流向、平均流速、湍流动能、切应力、粒子循环时间、气体升流分布6个方面的数据，并用粒子示踪法加以验证，证明了CFD计算的结果是与事实相吻合的，表明CFD方法可以精确模拟料液流场形态[12]。在此前提下，Karim将合速度绝对值低于最高值5%的区域定义为“弱搅拌区(poorly mixing zone)”，并计算了某流场的弱搅拌区，评价了流场的优劣，并初步指出影响弱搅拌区大小的因素[13]。Mehul S. Vesvikar用CFD试算了大量搅拌方案后，发现流场最差的情况下，弱搅拌区占罐体总体积的比例可以高达59.7%[14]，可见优化潜力巨大。而吴斌鑫则将合速度绝对值低于0.001 m·s-1的区域定义为“死区(dead zone)”，并通过CFD模拟计算验证了死区就是搅拌动能的死角，就算增大射流初速度，甚至将初速度增大到5.7 m·s-1这样的极端情况，亦只能使非死区的动能更加充沛，却并不能减少死区所占的空间[15]。这也提示了笔者，一味增加搅拌功率并不能改善流场形态，而只能通过优化设计来改善。但就目前的研究进展来看，学界找到了一些利用CFD方法掌握流场形态的方法并用于研究，但在利用CFD改进沼气工程设计的实践应用方面仍有较大欠缺[16]。

笔者试图通过一次利用CFD方法模拟构建沼气厌氧发酵装置流场形态，从而优化设计搅拌流场的典型范例，阐述底部进水和分散式出口整流布水工艺对打破沼气工程静态发酵,重新构造流场的作用，同时介绍利用CFD优化设计沼气发酵料液搅拌流场的步骤方法。

1 模拟对象与数学模型

1.1 模拟分析对象与条件

笔者首先构建一个具有底部和侧面两个孔洞的闭式循环系统，通过泵提供动能，形成循环搅拌。由于本文研究对象仅限于沼气发酵罐内的料液部分，

不考虑气体部分和闭式循环系统的其余部分，所以仅仅将1000 mm高的料液部分作为模拟计算的对象，所以模型简化为1000 mm高的液柱和两个直径100 mm的圆形孔洞，如图1所示。

1.循环管； 2.料液； 3.储气间； 4.导气管； 5出水口； 6泵； 7.进水口图1 沼气发酵装置闭式循环系统及其料液模型示意图

沼气发酵料液成分复杂，但多为低浓度溶液。Karim认为液体的粘性系数并不影响流态[17]，所以绝大多数料液包括固-液多相流的基本流场形态均是与纯水流场相似的。笔者首先计算水在沼气发酵装置中的基本流态，用普通的水作为介质，模拟说明各种沼气发酵装置中流体的基本流态，然后掌握其基本流场形态特征，作为罐体优化设计的基本依据。

1.2 数学模型

由于现阶段模拟计算仅以水为介质，所以采用单相流方法求解，其流体流动连续性方程如下：

(1)

其动量方程如下：

(2)

(3)

(4)

式中：▽为哈密顿微分算子：

(5)

1.3 数值方法

采用控制容积法划分网格，按每边1000个网格设置，共生成3383839个网格，其网格模型如图2所示。

2 速度入口方向的选择

2.1 关于搅拌方式的选择

根据邱凌[18]的研究，动态发酵比静态发酵年均产气量提高31.0%～72.4%。而根据杨浩、邓良伟[19]等的研究综述，说明业界已经明确搅拌确实有利于沼气发酵。但关于搅拌的方式尚存一定争议，Khursheed Karim[20]比较了叶轮机械搅拌、水力搅拌和气动搅拌3种方式，指出在低浓度下，不同搅拌方式对提升产气率的效果均不明显，但TS浓度(干物质浓度)达到10%时，3种搅拌方式下的产气率则分别比不搅拌高22%，29%和15%，说明水力搅拌或是最佳方式。而关于搅拌功率输入的部位，则主要存在侧插式搅拌和底部搅拌两种争议[21-22]。现将水力搅拌的水力速度入口分别设于侧面和底部，用CFD模拟计算其流化效果，并进一步试算其优化模型，以作比较分析。

2.2 侧面进水，底部出水

设置边界条件为入口速度1 m·s-1，并设置重力加速度为9.81 m·s-2，通过模拟结果图3，图4看，流速分布很不均匀，进水口和出水口之间的水力通路明显，其余区域尤其是高位的流速则非常低。

图3 侧面进水y=0截面速度矢量图

图4 侧面出水y=0截面速度矢量图

图5 侧面进水z=0.2截面速度矢量图

图6 侧面进水z=0.8截面速度矢量图

截取高度为0.2 m和0.8 m的两个截面作比较，通过图5和图6看，高位的流速远远小于低位。这可能是因为重力加速度指向初速度的垂直方向，所以加速度偏向非常严重。

2.3 底部进水，侧面出水

转换速度入口和压力出口，即形成底部进水，侧面出水的格局。边界条件和重力加速度等操作条件与2.2相同。通过模拟结果图7，图8看，流速分布仍不是非常均匀，但比上一种搅拌方式有明显提升，尤其是在位置较高的区域。

图7 底部进水y=0截面速度矢量图

图8 底部进水x=0截面速度矢量图

通过模拟结果图9，图10看，高度为0.2 m和0.8 m的两个截面流速差距比上一种搅拌方式小很多，这可能是由于重力加速度指向初速度的竖直方向，所以没有造成加速度严重偏向某一侧方面。

2.4 底部进水是最佳搅拌方式

通过以上两种进水方向的比较，显见底部进水的方式下，整个区域的流场分布更均匀，搅拌的影响范围更大。可见在水力搅拌的部位选择问题上，底部搅拌比侧插式搅拌更优。

图9 底部进水z=0.2截面速度矢量图

图10 底部进水z=0.8截面速度矢量图

3 压力出口优化设计

3.1 分散式出口设计

从前文的模拟结果看，进水口和出水口距离太近，容易形成短且单一的水力通路，导致料液滞留时间短，流化区域小，高于侧面出水管的部分流速急剧降低，大部分区域速度接近于0，显示未形成全区域的理想流化效果。考虑改变设计，将出水管抬高至离底面0.8 m处，并设计4个出口，如此则有望在区域中形成多个流通环路，实现速度、压力、分流量的再分配，如图11所示。

1.循环管； 2.料液； 3.储气间； 4.导气管； 5出水口； 6泵； 7.进水口图11 高位分散式压力出口设计方案示意图

3.2 模拟优化设计方案的基本流场

根据优化的设计方案模拟底部进水方式的流场，仍采用控制容积法划分网格，按每边300个网格设置，共生成2921029个网格，其网格模型如图12所示。

设置边界条件为入口速度1m·s-1，设置重力加速度为9.81 m·s-2。通过模拟结果图13，图14看，优化设计下，较高区域获得的动能远比原设计多，速度分布均匀得多。

而通过模拟结果图15，图16看，高度为0.8 m的截面流速比高度为0.2 m的截面更高，而且各自的分布都很均匀。这意味着大量的动能被输送到高位，在实际工况中，不溶于水的发酵原料会被带至高位，暂停搅拌时，原料会沿重力方向下沉[23]；重启搅拌后又上升，如此反复，形成上下翻滚，极其有利于均匀混合，从而提升发酵效率[24]。

图12 分散式出口模型的网格示意图

图13 分散式出口y=0剖面速度矢量图

图14 分散式出口x=0剖面速度矢量图

图15 分散式出口z=0.2速度矢量图

图16 分散式出口z=0.8截面速度矢量图

4 结果与讨论

笔者以1个小型沼气发酵装置为例，完整展示了利用CFD数值模拟可视化研究沼气发酵料液流场形态，并以之为依据优化设计罐体和搅拌形态的方法。在本算例中，笔者通过直观可见的模拟流场形态分析，首先说明了底部进水相比侧面进水的优势，阐明了进水加速度方向应该逆重力方向的原理。其次通过分散式压力出口与集中式压力出口的流场分析，阐明了高位分散式压力出口设计可以将动能扩散到更广阔空间，从而优化流场形态的原理。综合以上改进步骤，便是一个沼气发酵装置流化方案的优化设计过程，这应该成为沼气工程设计的主流方法，为广大设计人员所掌握。

另一方面，沼气发酵料液成分非常复杂，但以水为介质的CFD模拟可以作为流场设计的基本依据，普遍适用于大多数液态发酵原料。一些以动物粪便为主要发酵原料的工况，可以将粪便原料处理成固体颗粒，与水形成固-液两相流工况进行多相流模拟计算。但这种算法下液相的流场形态仍是与基本流场形态高度相似的[17]，而且改变搅拌参数也只影响固相的流动形态，对液相的影响并不大[25]，所以掌握以水为介质的单相流模拟结果，就在很大程度上掌握了这种罐型和流化方案的基本流场形态，对优化设计具有重要指导意义。即便该沼气发酵装置改变工况，采用不同的发酵原料，其基本流场仍在设计人员的掌握中，可以根据原料流变特性有依据地调整流化方案。所以，在工程设计中，设计人员应该首先充分利用CFD方法掌握以水为介质的基本流场形态，才能以此为依据，进行优化设计，但目前CFD方法还较多地停留在科研领域，在工程设计领域应用太少，这正是沼气行业亟待加强的一个方面。

在下一步工作中，笔者还将进一步介绍各种复杂多相流流场形态的分析及其优化方法，为更多更复杂发酵原料的工艺提供指导。

5 结论

水力搅拌时，若速度入口与重力方向形成较大夹角(如垂直)，则加速度偏向一侧，导致流场分布不均，所以应该使速度入口尽量与重力方向相反，这样既避免加速度偏向一侧，又可以借助重力在搅拌的时间间歇形成上下翻滚。

传统设计理念中，为方便出渣，出渣管往往设计得很低，接近发酵罐底部。但在水力搅拌条件下，压力出口应该设计得尽量高，才有利于避免过短的水力通路，扩大水力搅拌的影响范围，促进全区域的充分均匀混合。

设计多个出渣口，实际形成多个压力出口，可在发酵罐内部形成多个流通环路，并相互交叉，实现流速、压力、分流量的再分配，极大优化罐内的流场形态。

CFD数值模拟方法可以将肉眼不可见的流场形态用图形展示，可以让设计人员在一定程度上掌握流场，从而帮助优化设计搅拌，应成为沼气工程流场设计的主流方法。

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