大型沼氣厭氧池側(cè)進(jìn)式攪拌流場的數(shù)值模擬分析

梁敬福，黃振峰，李欣欣

廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004

大型沼氣厭氧池側(cè)進(jìn)式攪拌流場的數(shù)值模擬分析

梁敬福，黃振峰，李欣欣

廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004

為了研究直徑和高度均為16 m的大型沼氣池內(nèi)單個側(cè)進(jìn)式攪拌器的攪拌效果，采用流體力學(xué)軟件Fluent，以多重參考系法、RNG κ-ε湍流模型及壓力-速度耦合SIMPLEC算法，對攪拌流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并分析了不同的安裝角度、離底高度、攪拌轉(zhuǎn)速及攪拌槳葉直徑對攪拌功率、有效區(qū)百分比和防沉淀效果的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速大于450 r/min和攪拌槳葉直徑大于750 mm時，有效區(qū)百分比均達(dá)到最大值70%；當(dāng)水平夾角α為30°時，攪拌效果達(dá)到最好；垂直夾角β偏向池底和離底高度小于8 m時，有利于防止池底沉淀的產(chǎn)生。

大型沼氣池 側(cè)進(jìn)式 推進(jìn)式攪拌器 數(shù)值模擬

將計算流體力學(xué)技術(shù)應(yīng)用于攪拌池的數(shù)值模擬進(jìn)行流體混合攪拌的優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)是一項較為成熟的研究，但對側(cè)進(jìn)式攪拌器的研究相對比較少[1-3]。Wesselingh[4]對不同尺寸的單個側(cè)進(jìn)式攪拌器下攪拌槽內(nèi)的混合時間進(jìn)行了實驗研究，模擬分析了槳型、推進(jìn)槳偏角、雷諾數(shù)等不同條件下的流場和混合時間，模擬結(jié)果與實驗測量結(jié)果吻合。Asghar等[5]采用RNG湍流模型對混有兩類原油的貯罐在單個側(cè)進(jìn)式攪拌不同因素下對混合時間的影響。方健等[6,7]對具有4臺側(cè)進(jìn)式攪拌器運行下攪拌槽內(nèi)的流體流動特征、混合過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算了不同雷諾數(shù)下此類攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)，并得到了功率曲線，而且研究了不同的示蹤劑加料點、監(jiān)測點位置、攪拌軸偏轉(zhuǎn)角對混合時間的影響規(guī)律。張林進(jìn)等[8]對煙氣脫硫吸收塔底部漿液池的側(cè)進(jìn)式攪拌流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌槳安裝角度等因素對三維流場的影響規(guī)律。鄭曉東等[9]針對側(cè)伸式攪拌槽，研究了攪拌槳安裝位置、通氣速率、固體顆粒濃度和液位高度對側(cè)伸式攪拌槽顆粒懸浮性能的影響。陳佳等[10]采用計算流體力學(xué)技術(shù)對直徑和高度均為13 m的大型側(cè)進(jìn)式攪拌釜內(nèi)均相宏觀流場進(jìn)行數(shù)值計算，考察了不同攪拌轉(zhuǎn)速、攪拌槳安裝角度及個數(shù)對釜內(nèi)低速死區(qū)分布的影響。由于對單個攪拌器情況下的大型攪拌池的研究還不夠系統(tǒng)性，有些企業(yè)仍依賴以往的經(jīng)驗對大型攪拌池的側(cè)進(jìn)式攪拌器進(jìn)行安裝和運行，在實際運行中不緊攪拌功耗大，而且攪拌效果也往往不盡理想。

本研究針對單個側(cè)進(jìn)式攪拌器作用下的沼氣反應(yīng)池模型，使用Fluent軟件對攪拌流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析討論攪拌轉(zhuǎn)速、直徑和安裝水平夾角、垂直夾角、離底高度五個因素分別對攪拌功率、有效區(qū)百分比、攪拌流場和防沉淀效果的影響，以期為側(cè)進(jìn)式攪拌器的優(yōu)化設(shè)計、工程實際應(yīng)用提供參考依據(jù)。計算[12]。由數(shù)值模擬得到攪拌器在旋轉(zhuǎn)切向速度方向的扭矩值，帶入旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的功率計算公式，得到攪拌功率。計算公式如式（5）所示。

式中，M為扭矩，N·m；ω為角速度，rad/s；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

表1所示不同條件下的模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4（1#）可知，隨著水平夾角增大，攪拌功率小幅度地逐漸減小；隨著垂直夾角的變化，攪拌功率并不隨之有規(guī)律的變化，只是在10 kW左右有小幅度的上下波動(2#)；離底高度對攪拌功率的影響很小，都在10 kW左右小幅波動(3#)；4#和5#的模擬結(jié)果表明，隨著攪拌轉(zhuǎn)速和攪拌槳葉直徑的增大，攪拌功率都是以拋物線的形式快速增大。

圖4 攪拌功率曲線Fig.4 Stirring power curve

2.2 有效區(qū)百分比的分析

水流保持大于等于0.3 m/s的區(qū)域被稱為水體推流攪拌的工作有效區(qū)域[13]。本工作以池內(nèi)流體流速不小于0.3 m/s的區(qū)域設(shè)定為有效攪拌區(qū)，即能有效攪拌混合并防止沉淀產(chǎn)生的區(qū)域，有效攪拌區(qū)所占整個池內(nèi)液體的百分比設(shè)定為有攪拌區(qū)域百分比，簡稱有效區(qū)百分比。有效區(qū)百分比越大說明攪拌效果越好。（effective zone）

圖5所示為不同條件下的模擬得到的有效區(qū)變化曲線。從圖5（1#）可知，隨著水平夾角的增大，有效區(qū)百分比先增大然后減小，在水平夾角30 °時有效區(qū)百分比最大；隨著垂直夾角從-40 °變化到40 °，有效區(qū)百分比整體趨勢是先增大后減小，在-20 °時有效區(qū)百分比為最大（2#）；而（3#）結(jié)果表明，攪拌槳離底高度為6 m時攪拌效果最好；攪拌轉(zhuǎn)速的增大有利于有效區(qū)的增大，轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r/min時趨于平穩(wěn)（4#）；在相同轉(zhuǎn)速下，攪拌槳直徑增大意味攪拌功率增大，有利于增大有效區(qū)百分比，直徑750 mm時達(dá)到最大值并趨于平穩(wěn)（5#）。因此，在本研究的厭氧池尺寸條件下，水平夾角10～40 °、垂直夾角-30～0 °，離底高度2～8 m，攪拌轉(zhuǎn)速大于400 r/min，攪拌槳葉直徑大于750 mm時，有效區(qū)百分比值比較大，攪拌效果比較好。vesseds[J]. Chem Eng Sci, 2001, 56(12):3751-3770.

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Numerical Simulation of Side Inlet Mixing Flow Field in Large Scale Biogas Tank

Liang Jingfu, Huang Zhenfeng, Li Xinxin
School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China

In order to study the stirring effects of a single side agitator in the large biogas digester with a diameter and height of 16 m, the fluid dynamics software Fluent was used to conduct the three-dimensional simulation of the stirred flow field with the multiple reference system, RNG κ-ε turbulence model and pressure velocity coupled SIMPLEC algorithm. The influence of different installation angles, bottom height, stirring speed and stirring diameter on the stirring power, the percentage of effective area and the anti-precipitation effects were analyzed. The results showed that when the stirring speed was greater than 450 r/min and the stirring diameter was more than 750 mm, the effective area percentage reached the maximum value of 70%. When the horizontal angle was 30 °, the stirring effect appeared to be the best. When the vertical angle was inclined to the bottom of the biogas digester and the height from the bottom was less than 8 m, it was conducive to prevent the precipitation on the bottom of the biogas digester.

large methane tank; side inlet; propeller agitator; numerical simulation

TQ051.7

A

1001—7631 ( 2017 ) 01—0082—08

10.11730/j.issn.1001-7631.2017.01.0082.08

2016-11-24;

2017-02-04。

梁敬福（1989—），男，碩士研究生；黃振峰（1963—），男，教授，通訊聯(lián)系人。E-mail:1806670693@qq.com。

廣西大學(xué)橫向課題（BB30100005）。