側(cè)伸攪拌厭氧反應(yīng)器流場(chǎng)的數(shù)值模擬

王衛(wèi)京,陳淑花.2,陳 理,左秀錦

(1.大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 大連 116622;2.大連理工大學(xué)流體與粉體研究所,遼寧 大連 116012)

側(cè)伸攪拌厭氧反應(yīng)器流場(chǎng)的數(shù)值模擬

王衛(wèi)京1,陳淑花1.2,陳 理1,左秀錦1

(1.大連大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,遼寧 大連 116622;2.大連理工大學(xué)流體與粉體研究所,遼寧 大連 116012)

側(cè)伸攪拌厭氧反應(yīng)器是一常用的厭氧反應(yīng)器。對(duì)側(cè)伸攪拌厭氧反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明,流體在反應(yīng)器內(nèi)形成循環(huán)流動(dòng),反應(yīng)器內(nèi)的湍流特性分布并不均勻。

攪拌厭氧反應(yīng)器數(shù)值模擬

1 引言

厭氧反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于各種廢水的處理過(guò)程中。在進(jìn)行厭氧反應(yīng)過(guò)程中,為了強(qiáng)化混合,常常需要攪拌,側(cè)伸攪拌是厭氧反應(yīng)器常用的攪拌方式。在目前工業(yè)上進(jìn)行側(cè)伸攪拌厭氧反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí),大都依賴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,設(shè)計(jì)效果達(dá)不到最優(yōu)。

近年來(lái),計(jì)算流體力學(xué)廣泛應(yīng)用于各種不同流場(chǎng)的研究,通過(guò)流場(chǎng)的數(shù)值模擬不僅可以得到實(shí)驗(yàn)手段無(wú)法得到的局部信息,而且還能節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開(kāi)始用計(jì)算流體力學(xué)的方法研究厭氧反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。RobertN.等學(xué)者用 Fluent軟件模擬了厭氧反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng),模擬結(jié)果顯示,厭氧反應(yīng)器的重要操作參數(shù)如水力停留時(shí)間模擬值和計(jì)算值吻合較好[1-2]。在國(guó)內(nèi),葉群峰[3]對(duì) UASB反應(yīng)器內(nèi)單相流動(dòng)進(jìn)行了初步數(shù)值模擬。王衛(wèi)京等[4]對(duì)UASB反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并得出了厭氧反應(yīng)器內(nèi)氣相和液相的流場(chǎng)。這些研究對(duì)厭氧反應(yīng)器流場(chǎng)進(jìn)行了探索,但總體上來(lái)說(shuō),厭氧反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)還未得到充分研究。本文對(duì)側(cè)伸攪拌厭氧反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬,研究反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律。

2 流體力學(xué)模型

本文采用 Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,假設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng),厭氧反應(yīng)器內(nèi)的湍流用 k-ε方程進(jìn)行計(jì)算。連續(xù)性方程為:

動(dòng)量方程為:

3 厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

本文模擬了一個(gè)有兩個(gè)轉(zhuǎn)速為 300rpm的側(cè)伸式攪拌槳的厭氧反應(yīng)器。該厭氧反應(yīng)器直徑為 6米,高 8米,用側(cè)伸式斜葉槳攪拌,攪拌槳有三個(gè)葉片,直徑為 0.6米。攪拌軸水平伸入,伸入長(zhǎng)度為 1.5米,距底部高度為 1米。攪拌軸與中心線成 45°角。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)整個(gè)區(qū)域計(jì)算,其網(wǎng)格劃分如圖 1所示。

圖 1 厭氧反應(yīng)器網(wǎng)格劃分

4 模擬結(jié)果與討論

反應(yīng)器流動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖所示。圖2是流動(dòng)軌跡圖,圖 3是速度矢量圖。從圖中可以看出,流體在攪拌槳的推動(dòng)作用下,沿壁面螺旋向上流動(dòng),至反應(yīng)器中心后向下流動(dòng),這樣使流體在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)形成循環(huán)流動(dòng)。從速度矢量圖中也可以看出,攪拌槳周圍流體的速度要遠(yuǎn)大于反應(yīng)器內(nèi)其他部分流體流動(dòng)的速度,與整個(gè)反應(yīng)器流體速度相差較大。

圖 2 厭氧反應(yīng)器流動(dòng)軌跡圖

圖 3 厭氧反應(yīng)器速度矢量圖

圖 4和圖 5分別是湍流特性 --湍動(dòng)動(dòng)能和耗散率在圖 1所示 A-A截面的等值線圖。這兩個(gè)圖顯示出,在側(cè)進(jìn)攪拌式厭氧反應(yīng)器的流場(chǎng)中,湍流特性分布是不均勻的,局部區(qū)域的湍動(dòng)比較劇烈,會(huì)有較強(qiáng)的剪切作用。這種情況的對(duì)厭氧菌的生長(zhǎng)并不十分有利,在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)厭氧反應(yīng)器時(shí)應(yīng)注意這個(gè)問(wèn)題。

圖 4 湍動(dòng)動(dòng)能 k等值線圖

圖 5 耗散率ε等值線圖

5 結(jié)論

本文對(duì)側(cè)伸式攪拌厭氧反應(yīng)器流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明,在攪拌槳的推動(dòng)作用下,流體在反應(yīng)器內(nèi)形成螺旋循環(huán)流動(dòng)。而湍流的特性值 k和ε在反應(yīng)器內(nèi)分布并不均勻,存在著局部最大值,說(shuō)明在局部湍動(dòng)比較劇烈和剪切力較強(qiáng),這對(duì)厭氧菌的生長(zhǎng)不利。

符號(hào)說(shuō)明

[1]MERONEY R N,COLORADO P E.CFDsimulation of mechanical draft tube mixing in anaerobic digester tanks[J].water research,2009(43):1040-1050.

[2]TERASH IMA M,GOEL R,KOMATSU K,et al.CFD simulation of mixing in anaerobic digesters[J].Bioresource Technology,2009(100):2228-2233.

[3]葉群峰.升流式厭氧污泥床(UASB)數(shù)值模擬及流態(tài)分析[D].鄭州大學(xué),2002.

[4]王衛(wèi)京,左秀錦,朱波.UASB厭氧反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].大連大學(xué)學(xué)報(bào),2007(28):8-10,2007.

[5]LAUNDER B E.SPALD ING D B.ComputMeth ApplMech Engng[M],1974.

Numerical S imulation on the Flow Field in Side-entering Agitated Anaerobic Reactor

WANGWei-jing1,CHEN Shu-hua1,2,CHEN Li1,ZUO Xiu-jin1

(1.College of Environmental and Chemical Engineering,Dalian University,Dalian116622,China;2.R&D Institute of Fluid and Powder Engineering,Dalian University of Technology,116012,China)

Side-entering agitated anaerobic reactor is an anaerobic reactorwhich iswidely used.Numerical simulation on the flow field in the reactor is studied in this paper.Results of the simulation revealed that the that the fluid circulated in the reactor and turbulence propertieswere not not distributed unifor mly.

agitated,anaerobic reactor,numerical s imulation

X703 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):

1008-2395(2010)06-0034-02

2010-04-29

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助(2009A068)

王衛(wèi)京 (1971-),男,副教授,Email:wangweijing@dlu.edu.cn