摘要：为了对侧入式搅拌的农业生物反应器内的流动情况进行研究，采用计算流体力学方法，以某示范工程的主体农业生物反应器为对象，利用Ｆｌｕｅｎｔ软件对在搅拌设备作用下的反应器内部流动进行数值分析，揭示其流动规律。结果表明，搅拌设备主要使反应器内的物料沿叶轮轴线方向向前运动；接近反应器底安装的搅拌设备有助于防止池底固体颗粒沉积，可对反应器中介质进行均质处理。
关键词：搅拌设备；农业生物反应器；内部流动
中图分类号：Ｓ２１６．４文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）13－2743-03
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｆｌｏｗ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ bａｓｅｄ ｏｎ Ｍｉｘｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ
ＸＵ Ｗｅｉ－ｘｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｅｎｔｅｒｉｎｇ ｍｉｘｅｒ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ （ＣＦＤ）． Ｕｓｉｎｇ ａ ｍａｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｉｎ ａ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ａｓ ｔａｇｅｔ， ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ３－Ｄ ｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｆｌｕｅｎｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｍｉｘｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ waｓ ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｔｏ ｍｏｖｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐｅｌｌｅｒ ａｘｉｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ； Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｘｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗａｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｎｅａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｓｏ ｔｈａｔ ｉｔ ｗｏｕｌｄ ｈｅｌｐ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｓｏｌｉｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： mｉｘｉｎｇ eｑｕｉｐｍｅｎｔ； aｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ bｉｏｒｅａｃｔｏｒ； iｎｔｅｒｎａｌ fｌｏｗ
我国农业生物质资源丰富，数量巨大，目前全国各省市主要农业生产废弃物生物质资源可利用量约为５．６亿ｔ。利用农业生物反应设备，使农业生产废弃物转化成生物质燃气，大大提高了生物质资源的利用价值。在农业生物反应工程中，生化反应是依靠传质而进行的，而传质的产生必须通过基质与微生物之间的实际接触。通常搅拌是最有效、最可行的手段。搅拌设备的作用就是将厌氧消化罐内料液混合均匀，消除厌氧消化罐内物料系统中温度和浓度的差异，促进生化反应的进行［１，２］。因此，研究高效低能耗的焦油和废水处理设备与技术，对加快农业生物反应工程大规模商业化应用具有重大意义。
搅拌设备［３］是一种搅拌和推流装置，主要用于使介质均化、产生悬浮液流以及保持介质水平流动的一般工农业过程中，如污水处理中的平衡池、活性池、消毒池；工农业生产中的生物反应、管道煤气脱硫、饮用水处理等。在上述各种过程中，叶轮的搅拌和推流起到重要的作用，不同类型或参数的叶轮所造成的搅拌和推流效果差别很大［４，５］。随着计算机技术的发展，计算流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）技术以其速度快、经济性好以及能提供全流场流动信息细节的优点在搅拌设备的开发和设计中受到重视。利用Ｆｌｕｅｎｔ软件对搅拌设备作用下的农业生物反应器内部流动进行ＣＦＤ分析，旨在揭示反应器内部流动的规律，为提高生物反应效率提供基础信息。
１反应器内部流动数值计算
以某示范工程的主体农业生物反应器为对象， 数值模拟采用三维不可压雷诺平均Ｎ－Ｓ方程组，并以标准ｋ－ε湍流模型使方程组闭合。由于搅拌设备叶轮在反应器中工作时不停地旋转，为此，我们采用运动坐标系，将叶轮设置为旋转体。由质量守恒定律和进口无旋的假设，确定进口相对速度。进口压力假设在进口截面上分布均匀。假定出口边界处流动已充分发展，出口区域离开回流区较远。固壁上满足无滑移条件：u、v、w=0。流壁面采用壁面函数边界条件。在接近固体壁面区，壁面迫使流动产生较大的速度梯度，适应于湍流充分发展的ｋ－ε湍流模型在此区域需进行修正。固壁压力取第二类压力边界条件：＝０。控制方程使用有限体积法进行的离散，采用二阶迎风格式。控制方程采取分离式求解器隐式方案进行求解，选用ＳＩＭＰＬＥＣ算法。
２反应器内部流动模拟结果及分析
２．１反应器内部流场分析
对搅拌设备作用下农业生物反应器内部流动进行数值计算［６－１０］，并用Ｆｌｕｅｎｔ自带的后处理模块进行显示、分析。
如图１所示，虽然内部流场的三维流速矢量分布比较混乱，但还是可以从立体空间的角度感受其流动的大致形态：在叶轮附近形成高速流动区，速度值较大，并且带有较强的轴向分量，以中心较快速度向外做扩展运动。为了更清晰、准确地描述反应器内的流动情况，对内部流场进行沿轴向剖面分析，即截取空间流场的截面来更准确地分析内部流场的情况。图２、３为按轴面方向剖分截面取两个叶片后所得到的速度矢量分布和流线分布，从图中能够比较清楚地看出搅拌设备作用流场的速度分布情况。
从图３中可以看出，叶轮出口外侧有一定的旋向射流场，搅拌器叶轮在电机的驱动下旋转搅拌液体产生旋向射流，利用沿着射流表面的剪切应力来进行混合，使流体以外的液体通过摩擦产生搅拌作用，在极度混合的同时，形成体积流，应用大体积流动模式得到受控流体的推流输送。由于叶轮的转动，使反应器内的物料产生两个方向的运动，一个沿叶轮轴线方向向前运动，另一个沿叶轮圆周方向运动，这可以使反应器内的液体上下翻动，达到充分搅拌的目的。
为了更清楚地描述反应器内部流场的速度矢量，对沿搅拌设备推进方向的横截面进行截取，截面位置选取在距离进口边１ ｍ的位置，其速度矢量分布如图４所示。从图4中可以看出，在搅拌设备推进方向上的速度矢量是向四周发散的，这与轴面的流动情况一致，即汇聚成体积流后，再利用剪切力的作用使受控体积沿搅拌推进方向运动。从轴截面流线分布图（图５）中，不难发现该截面上的速度流线是按照空间上的类似圆形分布，等速度地向前搅拌推动液体，达到受控体积的流动和输送。
２．２不同安装深度对内部流场的影响
由于反应器内的安装定位具有很大的灵活性，结合工程实际，就安装深度ｈ＝１ ｍ和ｈ＝１.９ ｍ（即叶轮外径距离反应器底０．１ ｍ）的两种情况进行计算分析。
从图６中可以看出，流场的基本形态和运动规律大致相同，不同之处在于，接近反应器底安装的搅拌设备在反应器底面形成高速流动区，对池底进行射流冲刷，这将有助于防止池底固体颗粒沉积，可对反应器中介质进行均质处理。
３小结
为促进农业生物反应的进行，采用ＣＦＤ技术求解连续性方程、动量方程和能量方程，对生物反应器内由搅拌设备造成的内部流场进行数值研究。结果表明，由于叶轮的转动，使反应器内的物料沿叶轮轴线方向向前运动和沿叶轮圆周方向运动，这可以使反应器内的液体上下翻动，达到充分搅拌的目的。接近反应器底安装的潜水搅拌器有助于防止池底固体颗粒沉积，可对反应器中介质进行均质处理。
上述结果虽然揭示了部分在搅拌设备作用下的农业生物反应器内部流动情况，对提高反应效率起到了一定的作用，然而反应效率同时受到反应器内温度分布、气体释放、传质效果等因素的影响，具体还有待进一步的研究。
参考文献：
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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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