螺旋藻流体圆管流动速度与温度场分布

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1、中圉丁：程热物理年会传热传质学学术会议论文编寸：073396螺旋藻流体圆管流动速度与温度场分布吴良柏，李震，宋耀祖清华人学航天航窄学院，传热‘j能源利用北京市重点实验室，北京100084Tel：010—62781610，E—mail：wulb04@mailS．tsinghua．edu．cn摘要：螺旋藻具有蔼养：E富，光合作用强，繁巯快，净化窄气等特点。利用螺旋藻，可以将光能转化为薷养物质并储存于植物体中，供人类食用或者直接利用=}C化学能。螺旋藻是一种存医学、生物、化T、航天等领域台重要的应用前景的微藻。螺旋藻的生艮环境控制是影响螺旋藻生&速度及营养构成的关键防f素，

2、If

3、J从流动和传热角度研究螺旋藻流体的特·陆足控制螺旋藻生K环境的有效手段。本文建叛』，螺旋藻流体的流动‘j传热模型，通过改变其流动及传热状况米控制螺旋藻的光合速率和生长速度，为螺旋藻大规模生产以及在航天领域的第三代环控生保系统中的成用打下基础。‘关键词：螺旋藻流动与传热第三代环控生保系统1引言‘螺旋藻是一类低等植物，属丁蓝藻门，颤藻科，呈不分枝的丝状。它们与细菌一样，细胞内没有真正的细胞核，所以义称蓝细菌。螺旋藻具有光合效率高、生&繁殖快、适应环境能力强等优点，因而可以进行大规模培养。螺旋藻蛋白质含量丰富，高达60一70％，含有丰寓的B胡萝卜素、维生素等多种生命活

4、性物质。研究表明螺旋藻具有抗癌”!，减轻药物对肾脏的毒性㈦l的功能，在降低胆矧醇和血脂，养胃护胃，治疗贫血．及微量元素缺乏，增进免疫，调整代谢机能等方面都有积极作用，被联合国粮农组织和联合国世界食品协会推荐为“二十一世纪最理想的食品之一”。在第三代环控生保系统中，螺旋藻可以利用通过微生物降解的废物为宁航员通过食物!“。目前，已有相关文献从温度、光照强度、光暗比、培养基PH值、细胞密度等因素对螺旋藻生长的影响进行了研究4“。然而，以上对螺旋藻的研究，很多主要着眼丁_其经济价值，以及从生物学角度研究其生氏规律，其中虽然涉及了螺旋藻对生长环境的要求，但是没有针对螺旋藻流体的

5、流动与热特性进行研究。本文通过建立螺旋藻流体的流动与传热模型，提出更好地控制螺旋藻生I==环境的方法，以满足螺旋藻生K繁殖的需求，从而提高螺旋藻的光合速率和生氏速度。2物理数学模型螺旋藻流体在如图l所的圆管内作充分发展定常层流流动。倒管水平设置，质量力不计，管道很K，圆管内径为R，圆管研究长度为三，圆管内壁温度为r．，螺旋藻an流体流动均匀，流速为y，压力梯度为≥是常餐，导热系数为兄，流量恒定，温度舀z场沿轴向均匀分布，流体的物性为常数。在柱坐标系中，螺旋藻流体沿轴向(z方向)的运动方程可表示为：2205鲁+V警+孚斋+等等=一吉争p昙∽J+吉等+警卜㈩atlarr8

6、9r8ep8z＼rar、“’ra8az＼‘‘式中f为螺旋藻流体沿z方向所受的质量力，在此，其值为零。▲xl2N-。／7／图1螺旋藻流体在圆管内流动示意图照旋藻流体的能量方程可表示为：Z鳓c鲁栅，器+警等+％豢，=卜警+‰吉(等+¨]+毛警]喻脚心．)七嘉+卦鼋+卜r昙(孚)+吉等忆(警+警)+％B荔+警)]边界条件为：，=尺矿=0，=R丁=L，式中g，：一旯婴，为管道对流体的传导热；g凡为螺旋藻流体吸收的辐射能；口为生成热，包括流体中螺旋藻光合作用消耗的热量、呼吸作用消耗的热量、螺旋藻吸收营养物质吸收或放出的热颦等等。经过简化，式(1)即为：吉知，．=)一笔=。㈩式(

7、2)可简化为：吉知m一

8、：警㈦rorUr3螺旋藻流体圆管定常流动的速度场和温度场分布文献【61对螺旋藻浓度为2．09／L和12．49／L两种螺旋藻流体的流变特性进行了测量，绡2206果表明，螺雄澡流体属]‘幂律流体，两种浓度螺旋藻流体的剪切虑力f与剪切变形率矿之间关系可表示为：f=K∥(6)，、V，式中门为幂律指数，K为稠度系数。当螺旋藻浓度为2．Og／L和l2．49／L时，稠度系数K的值分别为0．00758(N·s”·m一2)和0．0472(N·s”·m。2)：幂律指数胛的值分别为1．125利0．914。根据文献[8】，可以求得螺旋藻流体的速度场和温度场分布。义因为

9、矿：鲨，所以：y=一毫9dr。’)．·矿=∥斋F～石等)．．㈦f。门+从』‘式帆=等尝，为壁面处流体的剪切触r=等争为，处剪切应力。则螺旋藻流体的速度场分布规律为：一[去(绷黯掣№州㈩根据式(5)有：一矧，针畔。等嘶川=K偿去厂⋯，一7石r瓦J叼可一万瑙∥⋯瑙【言面J¨∞式中g=g，。+口。将上式积分得：r豢=一g丢一击(塞)了(去)i(焘)，一莩+G㈩，a71将r=o，≥=o代入得：Cl=o。从而：，一g丢一击(老广(去厂(焘)2，掣+Qct2，将r=R，丁=r．代入上式得：2207G=瓦，+丢g+刍(笔)i(去)i(焘]2R掣⋯，则螺旋藻流体的温