污泥厌氧消化反应器CFD数值模拟研究进展

污泥作为典型的不透明非牛顿流体,在厌氧消化反应器内的流场具有复杂性,难以直接进行流场测试分析。结合计算流体力学（CFD）技术,分析污泥厌氧消化反应器内的流场分布情况,探讨污泥在反应器内混合效果和对消化过程的影响,以验证校核反应器优化设计和运行,改善污泥在消化反应器内的流动和混合性能并最终提高反应器性能。在综合文献及前期研究工作的基础上,系统分析并重点关注了CFD数值模拟过程当中多相流模型和湍流模型的选取、污泥流变特性应用、反应器流场评估优化及耦合生化模型等的研究现状及进展,最后总结了目前污泥厌氧消化反应器CFD数值模拟过程存在的问题。并指出在考量污泥流变学特性的基础上,利用传质模型将反应器流场和生化过程相耦合,构建流场-生化耦合模型,获取基质转化规律,为优化污泥厌氧消化反应器设计运行提供理论依据,是CFD应用于厌氧消化反应器数值模拟的发展方向。     

基于猪粪流变特性的厌氧消化反应器内的数值模拟

采用流变仪对不同含固率猪粪的流变性质进行测量,分析其流变特性,将流变数据与非牛顿流体模型进行拟合,得到用于描述猪粪流变特性的最佳流变方程。结果表明:猪粪是一种非牛顿流体,黏度随剪切速率的增加而减小并趋于稳定。基于其流变特性,运用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟技术,对猪粪厌氧消化反应器内的流场进行研究。模拟结果显示:反应器内速度最大值出现在桨叶末端,猪粪流体在其反应器内的宏观循环运动状态为沿着搅拌轴径向的绕流运动;壁面及顶部和底部区域速度几乎为零,形成死区,容积比率为29.85%。     

基于两相流模型污泥消化反应器内流场分析

污泥作为一种不透明的非牛顿流体,研究厌氧消化反应器内的流场分布对于解决污泥堆积、混合不均问题具有指导作用,并且能为实际工程中反应器优化设计提供依据。基于固液两相流混合模型,借助CFD模拟软件Fluent 15.0对污泥厌氧消化反应器内的流场进行数值模拟。研究得出,反应器内的速度分布与高度和径向距离有关。在某一特定的径向距离r/R内,速度逐渐增大,向壁面扩散速度又逐渐降为0。死区体积随着时间的延长而逐渐降低,但降低的幅度逐渐减小。t=1 s时,Y=0.15 m高度处污泥在r/R为0.3~0.5范围内,其浓度明显大于其他高度的污泥浓度。搅拌至t=20 s时,在r/R为0.5~0.9范围内,污泥体积分数达到10.5%左右。反应器的底部、上端和壁面是混合效果较差的区域。研究桨叶表面的压力分布,结果显示,桨叶末端所受的压力最大。