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(guò)程中會(huì)面臨氣體傳質(zhì)能力不足和能耗過(guò)大等問(wèn)題,導(dǎo)致生產(chǎn)成本居高不下。為解決這些問(wèn)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(guò)數(shù)值模擬對(duì)新型反應(yīng)器內(nèi)兩相流場(chǎng)進(jìn)行了仿真及定量分析。通過(guò)模擬氣泡羽流、鼓泡塔及攪拌器系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng),并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(yàn)證了雙流體模型在該問(wèn)題中的有效性。對(duì)新設(shè)計(jì)的反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)模擬結(jié)果表明,兩相作用力模型對(duì)模擬準(zhǔn)確性影響較大,而共軸反轉(zhuǎn)能夠在流場(chǎng)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(duì)功率準(zhǔn)數(shù)。 

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

【文章頁(yè)數(shù)】：12 頁(yè)

【部分圖文】：

求解問(wèn)題幾何與軸對(duì)稱近似下邊界條件設(shè)置

常規(guī)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行流場(chǎng)分析價(jià)格昂貴，受限于實(shí)驗(yàn)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(chǎng)定量分析，且不受實(shí)際物理時(shí)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(shí)驗(yàn)成本[13-14]、優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)[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(dòng)行為，當(dāng)前對(duì)通氣式攪拌器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)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(duì)模擬結(jié)果有較大影響。Deen[22]指出曳力模型的選擇對(duì)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(dòng)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(duì)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�，不同學(xué)者對(duì)兩相相互作用模型的選取不完全相同。對(duì)兩相反應(yīng)器的模擬優(yōu)化，文獻(xiàn)中通常缺乏詳細(xì)說(shuō)明其計(jì)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(yàn)證，影響了優(yōu)化結(jié)果的可信性。針對(duì)以上問(wèn)題，為了能可靠地對(duì)生物反應(yīng)器進(jìn)行模擬優(yōu)化，本文首先對(duì)氣液模擬數(shù)值模型進(jìn)行多角度驗(yàn)證，然后對(duì)本文提出的雙槳葉共軸反轉(zhuǎn)反應(yīng)器內(nèi)不同運(yùn)行參數(shù)下的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，從而對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(shí)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(duì)比了無(wú)量綱氣體體積分?jǐn)?shù)沿徑向的變化，無(wú)量綱化的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算如下：

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3478535