發(fā)布時間：2021-11-05 21:25

　　使用生物可降解塑料是解決白色污染的有效手段,然而在生物反應(yīng)器中生產(chǎn)可降解塑料過程中會面臨氣體傳質(zhì)能力不足和能耗過大等問題,導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。為解決這些問題,提出了一種共軸反轉(zhuǎn)型機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器,并通過數(shù)值模擬對新型反應(yīng)器內(nèi)兩相流場進(jìn)行了仿真及定量分析。通過模擬氣泡羽流、鼓泡塔及攪拌器系統(tǒng)內(nèi)流場,并與實驗結(jié)果對比,在雙流體模型中引入了曳力、升力及湍流擴(kuò)散力以及基于TroshkoHassan模型的兩相湍流模型,驗證了雙流體模型在該問題中的有效性。對新設(shè)計的反應(yīng)器內(nèi)流場模擬結(jié)果表明,兩相作用力模型對模擬準(zhǔn)確性影響較大,而共軸反轉(zhuǎn)能夠在流場中形成更好的剪切效應(yīng),增強(qiáng)氣體分散能力,從而提高整體氣含率及相對功率準(zhǔn)數(shù)。 

【文章來源】：化工學(xué)報. 2020,71(11)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

求解問題幾何與軸對稱近似下邊界條件設(shè)置

常規(guī)實驗手段進(jìn)行流場分析價格昂貴，受限于實驗條件，不易進(jìn)行工業(yè)放大。數(shù)值模擬能夠有效進(jìn)行流場定量分析，且不受實際物理時空限制。因此，數(shù)值仿真已經(jīng)成為生物反應(yīng)器研究中降低實驗成本[13-14]、優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計[13,15-19]、進(jìn)行工業(yè)反應(yīng)器放大[12,20-21]的重要手段。然而，由于反應(yīng)器中存在氣液兩相和攪拌等復(fù)雜流動行為，當(dāng)前對通氣式攪拌器內(nèi)氣液兩相流動模擬仍存在較大挑戰(zhàn)，特別是兩相流體的相間作用力模型，其準(zhǔn)確性對模擬結(jié)果有較大影響。Deen[22]指出曳力模型的選擇對雙流體模型的模擬精度有較大影響，并在模擬中采用了Ishii和Zuber模型[23],兩相湍流模型使用Sato和Sekoguchi模型[24]。Liew等[25]比較了不同曳力模型在鼓泡塔中的兩相流動模擬，結(jié)果顯示不同曳力模型結(jié)果相差不大，兩相湍流模型采用了Simonin和Viollet模型[26]。Lou等[27]比較了五種不同曳力模型對氣泡羽流模擬的影響，結(jié)果顯示Kolev模型[28]明顯優(yōu)于其他模型，考慮湍流擴(kuò)散力與否也有較大影響�？梢钥闯觯煌瑢W(xué)者對兩相相互作用模型的選取不完全相同。對兩相反應(yīng)器的模擬優(yōu)化，文獻(xiàn)中通常缺乏詳細(xì)說明其計算所采用的模型及相關(guān)參數(shù)[17,29-31]，缺少模型及參數(shù)驗證，影響了優(yōu)化結(jié)果的可信性。針對以上問題，為了能可靠地對生物反應(yīng)器進(jìn)行模擬優(yōu)化，本文首先對氣液模擬數(shù)值模型進(jìn)行多角度驗證，然后對本文提出的雙槳葉共軸反轉(zhuǎn)反應(yīng)器內(nèi)不同運行參數(shù)下的流場進(jìn)行了模擬分析，從而對反應(yīng)器的工程應(yīng)用提出優(yōu)化建議。

圖3顯示了氣體體積分?jǐn)?shù)的云圖，如圖所示，大量氣體集中在對稱軸附近，少量氣體靠近壁面區(qū)域，這與文獻(xiàn)中的結(jié)果是一致的。圖4定量比較了文獻(xiàn)中常用的Schiller-Naumann模型[22,27,35,40]和本文采用的Kolev模型對氣體體積分?jǐn)?shù)和氣體速度分布的影響，兩者主要的差異在氣體體積分?jǐn)?shù)的預(yù)測上。普遍認(rèn)為Schiller-Naumann模型可以描述單一氣泡的曳力模型，當(dāng)氣體體積分?jǐn)?shù)較大時或在氣泡聚集的區(qū)域誤差較大，因此本文采用了更為準(zhǔn)確的Kolev模型。進(jìn)一步，本文比較了氣體體積分?jǐn)?shù)沿徑向的分布。圖5對比了無量綱氣體體積分?jǐn)?shù)沿徑向的變化，無量綱化的體積分?jǐn)?shù)計算如下：

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本文編號：3478535