沼气气池搅拌的CFD模拟及温度场验证.pdf

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1、第26卷2010年第10期10月农业工程学报TransactionsoftheCSAEV01．26No．10Oct．2010283沼气池搅拌的CFD模拟及温度场验证毕峻玮，朱洪光※，石惠娴，李永明，荣凌，王韬(同济大学现代农业科学与工程研究院生物质能源研究中心，上海200092)摘要：为了对底侧入式搅拌的沼气发酵池内的流场进行研究，该文采用计算流体力学方法，以上海市崇明县某示范工程的主体沼气发酵池(69．3m3)为对象，对流场和温场进行计算模拟，并通过温度测量来验证温度数值模拟的可靠性，从而间接验证流场数据准确性。通过

2、温度场的模拟和实测数据对比，整体温场模拟和实测数据在0．05水平下无显著差异：通过流场模拟和工程运行的观察，都反映此发酵池中设计的底侧入式搅拌不能充分实现发酵池的搅拌。但模型在相关设定上仍有与实际不符之处，模型仍有待完善。关键词：沼气，计算流体力学，温度场，搅拌，沼气池doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2010．10．048中图分类号：S216．4，TK．Il+．2文献标志码：A文章编号：1002—6819(2010)-10-0283-07毕峻玮，朱洪光，石惠娴，等．沼气池搅拌的CFD模拟及温度

3、场验证[J】．农业工程学报，2010，26(10)：283--289．BiJunwei，ZhuHongguang，ShiHuixian，eta1．CFDsimulationandtemperaturefieldvalidationofbiogasdigestermixing[J]．TransactionsoftheCSAE，2010，26(10)：283--289．(inChinesewithEnglishabsUact)0引言开发新能源是实现可持续发展的必然选择【11，沼气作为一种可再生能源尤其具有发展潜力，沼气发酵

4、受反应工艺、反应条件等多方面因素影响【21。全混式厌氧发酵(continuousstirredtankreactoranaerobicdigester，CSTR)是畜禽粪水等高悬浮物类原料的主选发酵工艺，其发酵效果受搅拌因素影响较大。搅拌的实质是通过影响发酵池内的温度场、发酵底物与微生物的传质效果，以及气体释放等因素间接影响发酵效率。搅拌在厌氧消化中可以输送微生物生长所需的底物、使发酵器中的pH值和温度场均匀统一、稀释抑制因子、防止沉渣和短流【3】。许多文献都指出，搅拌可以改善发酵效果，提高反应效率【4J。然而，也有文

5、章指出，强烈的搅拌会使反应效率降低，影响处理效果【51。这可能是因为过高的剪切强度会扰乱微生物的空间序列，影响其生长16l。此外，在一定温度范围内，温度对发酵效率具有正向促进作用，合理控制温度在未来沼气工程中是非常必要的【“。目前沼气工程的搅拌和加温装置多数为经验设计，很难精确计算和掌控。因此，一些科研工作者将计算流体力学(computationalfluiddynamics，CFD)应用于厌氧发酵工程中数值模拟流体混合和传热。弗莱明(2002年)使收稿日期：2009．11．22修订日期：2010-12-20基金项目：

6、国家科技支撑计划项目(2008BADCAB05)；国家科技支撑计划项目(2008BAJ0880)：上海市科委项目(07DZl2050)：上海市科委科技发展基金项目(09391910700)作者简介：毕峻玮(1986一)，男，山东德州人。上海同济大学现代农业科学与工程研究院生物质能源研究中心，200092。Email：bjwhello@irish．conl※通信作者：朱洪光(1974一)，男，安徽阜南人，博士，同济大学生物质能源研究中心主任。从事以沼气为中-Ii,的生物质能源工程研究。上海同济大学现代农业科学与工程研究院

7、生物质能源研究中心，200092。Email：zlaulag@．mail．tongji．edu．cll用CFD模拟技术，建立了厌氧塘内厌氧消化的三维气液两相流流型和传热惮J。Gebremedhin(2005年)制定了一个对沼气池的全面传热模型，其中包括太阳辐射、气候条件、和土壤特性L9J。Vesvikar(2005年)建立了上流式反应器内流动的CFD模型，并用此来优化反应器的结构【10】。wu等(2006年)开发了一种地下沼气池的三维传热模型，该模型考虑了包括拱形顶部、顶部平坦的矩形、圆柱等几何形状对传热的影响⋯】。R

8、obertN．Meroney(2009年)使用CFD模型模拟混合物扩散时间(mixturediffusiontime，MDT)和水力停留时间(hydraulicretentiontime，HRT)等来评估厌氧反应器特性【l21。Mitsuharu(2009年)研究了流体流变性对厌氧反应器内CFD模拟的影响【13】o目前厌氧发酵的流