基于气液两相流数值模拟混合器优化设计

２０１９年１２月Ｄｅｃ.２０１９ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｏｍｍｅｒｃｅ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓＥｄｉｔｉｏｎ)

基于气液两相流数值模拟混合器优化设计

李　斌ꎬ董　静

(哈尔滨商业大学轻工学院ꎬ哈尔滨１５００２８)

摘　要:生物反应器结构优化是甲烷氧化菌的培养积累ＰＨＢ的产量的影响因素之一ꎬ因为水平管式循环反应器在培养甲烷氧化菌ꎬ积累ＰＨＢ方面的应用ꎬ所以优化设计水平管式循环生物反应器特别重要ꎬ优化设计结构参数主要基于气液两相流的传质理论.通过对生物反应器的水平段的数值模拟ꎬ优化设计生物反应器的管径ꎬ混合元件的进气口的距离、进相端的角度、细管管径的大小和长度、出口端的角度大小和混合元件的个数ꎬ促进气液传质ꎬ优化设计结果为生物反应器的管道为３ｃｍꎬ进气口距离为５ｃｍ、进相端的角度为９０°、细管的管径为２ｃｍ和长度为１ｃｍ、出口端角度为７°以及混合元件的个数是５个.该优化设计结果为生物反应器的整体优化做铺垫ꎬ为甲烷氧化菌培养积累ＰＨＢ产量工业化生产研究做铺垫.

关键词:ＰＨＢꎻ气液传质ꎻ混合器ꎻ生物反应器ꎻ优化设计ꎻ数值模拟中图分类号:Ｑ８１　　　

　文献标识码:Ａ　　　　

文章编号:１６７２－０９４６(２０１９)０６－０７２７－０８

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｍｉｘｅｒｂａｓｅｄｏｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｏｆｇａｓ￣ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ￣ｐｈａｓｅｆｌｏｗ

ＬＩＢｉｎꎬＤＯＮＧＪｉｎｇ

(ＳｃｈｏｏｌｏｆＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙꎬＨａｒｂｉｎＣｏｍｍｅｒｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＨａｒｂｉｎ１５００２８ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＯｎｅｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＰＨＢｉｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｒｅａｃｔｏｒｉｎｔｈｅｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｅｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａａｎｄＰＨＢａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎꎬｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｕｂｕｌａｒｌｏｏｐｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｉｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｍｐｏｒｔａｎｔ.Ｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒꎬｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒꎬｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅａｉｒｉｎｌｅｔｏｆｔｈｅｍｉｘｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔꎬｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｉｎｌｅｔｅｎｄꎬｔｈｅｓｉｚｅａｎｄｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｔｈｉｎｐｉｐｅｄｉａｍｅｔｅｒꎬｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｏｕｔｌｅｔｅｎｄａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｍｉｘｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓａｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｗａｓ３ｃｍꎬｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅａｉｒｉｎｌｅｔｗａｓ５ｃｍꎬａｎｄｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｉｎｌｅｔｗａｓ５ｃｍＴｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｅｎｄｗａｓ９０°ꎬｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｔｈｉｎｐｉｐｅｗａｓ２ｃｍꎬｔｈｅｌｅｎｇｔｈｗａｓ１ｃｍꎬｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｏｕｔｌｅｔｅｎｄｗａｓ７°ａｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｍｉｘｅｄｅｌｅｍｅｎｔｓｗａｓ５.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅａｎｄｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＰＨＢａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄｂｙｍｅｔｈａｎｅｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ.

收稿日期:２０１９－０６－１０.

基金项目:校级课题:研究生科研创新项目(Ｎｏ.ＹＪＳＣＸ２０１８－５２９ＨＳＤ)作者简介:李　斌(１９９５－)ꎬ女ꎬ硕士ꎬ研究方向:生物反应器优化设计.

通信作者:董　静(１９８１－)ꎬ女ꎬ硕士研究生导师ꎬ副教授ꎬ研究方向:生物可降解材料研发.

ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ.Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｕｂｕｌａｒｌｏｏｐｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｍａｉｎｌｙｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｏｒｙｏｆｇａｓ￣ｌｉｑｕｉｄｔｗｏ－ｐｈａｓｅｆｌｏｗ.Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ

ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ.Ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｒｅｓｕｌｔｗａｓｔｈａｔｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｏｆｔｈｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ

ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒｇａｖｅｔｈｅｗａｙｆｏｒｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｉｏｒｅａｃｔｏｒＫｅｙｗｏｒｄｓ:ＰＨＢꎻｇａｓｌｉｑｕｉｄｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒꎻｍｉｘｅｒꎻｂｉｏｒｅａｃｔｏｒꎻｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎꎻ

􀅰７２８􀅰哈尔滨商业大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　第３５卷

ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

　　提高气液传质效率是优化设计生物反应器的重点研究方向ꎬ为提高气液传质ꎬ有很多生物反应器的改进都着眼于气液传质的提高ꎬ比如机械搅拌式生物反应器的改进有提升浆式生物反应器、双圆通筛搅拌式生物反应器、泡床式搅拌生物反应器、脉冲式生物反应器固定化化酶搅拌生物反应器等ꎻ气升式反应器的研究也有很多进展ꎬ２００３年Ｆｕ等设计了多空筛导流筒生物反应器ꎬ螺旋导流筒生物反应器、外循环生物反应器和螺旋管光照气升式生物反应器等相继出现[１~５].这些生物反应器从不同的角度提高生物生产的效率ꎬ随着反应器结构的不断进展和生物培养过程的不断发展ꎬ生物反应器不断地更新ꎬ反应器生物加工的效率不断提高[６－９].

生物反应器合理设计直接涉及到生物生产的

义.因为操作灵活ꎬ较好的质量和热的传递ꎬ适宜的气体分散和明确的循环流动ꎬ气体和液体在循环阶段有良好的混合ꎬ提供了良好的气液传质.水平管式生物反应器的特点是压缩气体注入量低ꎬ停留时间较长ꎬ操作设计简单ꎬ可以良好的实现气体分离ꎬ安装方便[１０].循环管式生物反应器的工作原理见图１.

该水平管式生物反应器包括:两个常水平段ꎬ

垂直上升段和垂直下降段ꎬ顶部的分离器和一个Ｕ形管ꎬ和一个液体泵和混合元件ꎬ将气体和液体混合到一起.细胞积累发生在整个反应器内ꎬ经过混合元件之后ꎬ气体和液体有了很好的混合效果ꎬ提高气液传质.垂直上升段和垂直下降段的浓度差异不足以使液相循环ꎬ所以液体泵的作用是提供使气液循环的驱动力.甲烷和氧气被射入水平段ꎬ摄入点在混合元件前ꎬ距离点由数值仿真模拟确定.混合原件段的长度和混合原件的结构设计也需要进一步的数值仿真模拟.

效率问题.就在甲烷氧化菌细胞内生物催化合成聚β羟基丁酸酯的过程而言ꎬ水平管式循环生物反应器的生物反应器结构参数优化设计具有重要的意

图１　水平管式生物反应器的原理图(单位:ｃｍ)

　　本文主要研究混合元件的结构优化和设计ꎬ促进气液两相流传质效率的原理之一ꎬ可以通过优化设计设备结构ꎬ改善两相流流动状态和接触ꎬ设备和内部构件的变化只改善两相流的混合效果ꎬ减少液相返混效应[１１－１３].文丘里效应表现在受限流动在通过缩小的过流断面时ꎬ流体出现流速增大的现象ꎬ其流速与过流断面成反比.而由伯努利定律知流速的增大伴随流体压力的降低ꎬ即常见的文丘里现象.通俗地讲ꎬ这种效应是指在高速流动的流体附近会产生低压ꎬ从而产生吸附作用.利用这种效

应可以制作出文氏管.本文主要通过Ｆｌｕｅｎｔ数值模拟观察甲烷和水两相流的状态ꎬ优化设计水平段的结构参数.水平段的基本结构见图２.

图２　水平段文丘里管的基本结构(单位:ｃｍ)

第６期李　斌ꎬ等:基于气液两相流数值模拟混合器优化设计􀅰７２９􀅰

１　数学模型

件是常温常压(模拟细胞生长环境).模拟时启动非定常模型ꎬ计算雷诺数Ｒｅ＝

υｄ

ꎬ其中:υ为流体ｖ

本文选用多相流模型模拟甲烷－水的混合ꎬ采

用欧拉－欧拉方法研究该两相流ꎬ在Ｆｌｕｅｎｔ中ꎬ基于欧拉方法的有三种:ＶＯＦ模型、Ｍｉｘｔｕｒｅ模型和欧拉模型[１４－１５].因为在流动状态中有相混合ꎬ且两相速度不同ꎬ所以选用Ｍｉｘｔｕｒｅ模型ꎬ混合模型允许相间穿插ꎬ相间允许有速度滑移.

的运动黏度ꎬｖ为速度ꎬｄ为直径.得Ｒｅ≥２０００ꎬ所以选择ｋ－ε标准型湍流计算模型ꎬ压力－速率的耦合采用ＳＩＭＰＬＥ算法ꎬ并采用瞬态求解器进行迭代计算ꎬ计算时间步长１２０ｓꎬ总步数１４４０步ꎬ使用残差作为监控器ꎬ当监控到各变量的残差达到

两相的连续性方程:∂∑ｎ

∂ρｔ

ｍ＋∇􀅰(ρｍ→

ｖｍ)＝０

→

→

ｖｍ＝

ｋ＝１

αｋρｋｖｋ

ρｍ

ρ∑ｎ

ｍ＝

ｋ＝１

αｋρｋ其中:→

ｖｋ是第ｋ相的平均速度ꎬαｋ为第ｋ相的体积分数ꎬρｍ为第ｋ相的密度.

混合动量方程为:

∂∂

ｔ

(ρｍ→ｖｍ)＋∇􀅰(ρｍ→ｖｍ→ｖｍ)＝－∇ｐ＋∇[μｍ(∇→ｖｍ＋∇→

ｖｍＴ)]＋ρｍｇ→

＋Ｆ→

＋∇􀅰(其中:ｎ是相数ꎬｇ是重力加速度ꎬＦ∑ｎ

αｋρｋ→

ｖｄｒꎬｋ→

ｖｄｒꎬｋ)

→ｋ＝１

是体积力ꎬμｍ是混合黏度ꎬ它的定义式为:

μｍ＝

→

ｖ∑ｎ

ｋ＝１

αｋμｋｄｒꎬｋ是第二相ｋ的漂移速度:→ｖｄｒꎬｋ＝→ｖｋ－→

ｖｍ

ｐ相对于主项ｑ的滑移速度:→

ｖｑｄ＝→

ｖｐ－→

ｖｑ同时ꎬ第ｐ相的体积分数方程:∇􀅰(α∂∂

ｔ(αｐρｐ

)＋ｐρｐυ→

ｍ)＝－∇􀅰(αｐρｐ→

ｖｄｒꎬｐ)

表观的流速按照两入口的物料总体积流量Ｖ与流通面积Ａ的比值来计算ꎬ即ｕ＝(Ｖ对于不相溶两相ꎬ分散相的体积分数为分散相

ｉｎ１＋Ｖｉｎ２)/Ａ

的体积流量与总体积流量的比值ϕ＝Ｖｘ/ＶＴ过程考察不溶的水－甲烷两相混合程度ꎬ３０.模拟℃甲烷的密度０.７１７ｇ/Ｌꎬ运动黏度１７.０７１(ｍｍ２２　２.１　模拟结果和分析

/ｓ).

边界模拟工况

条件设置中模型两进口为速度入口

(ｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ)ꎬ出口为压力出口(ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｏｕｔｌｅｔ)ꎬ根据甲烷氧化菌利用甲烷培养实验中确定甲烷速度范围ꎬ选择甲烷速度０.１ｍ/ｓꎬ水的速度０.３５ｍ/ｓ.因为是气液两相流ꎬ所以考虑水的重力作用ꎬ操作条

１０－４可视为已经收敛[１５]网格化方法选用Ａｕｔｏｍａｔｉｃ.Ｍｅｔｈｏｄꎬ流体力学

模型ꎬ液体管径２.５、３、４ｃｍ的网格化数分别是

３１２.２　２９６、３１２９６、３８１２４.

从图水平管直径大小的确定

３中看出在文丘里管前端甲烷和水是分

层状态ꎬ经过文丘里管后甲烷和水的混合效果较好ꎬ甲烷体积分数大概可以达到３０％左右.这说明文丘里管有混合甲烷－水的作用.因为是二维模型ꎬ所以进行径向比较.本文先通过观察不同管径文丘里管前１ｃｍ处甲烷体积分数ꎬ比较在没有文丘里管类似的促进气液传质元件的情况下ꎬ甲烷和水的混合效果如何.再观察不同管径文丘里管截至和文丘里管之后５ｃｍ处的径向甲烷体积分数的对比ꎬ观察甲烷－水的混合效果.

图３　２.５、３ｃｍ和４ｃｍ文丘里管管径模型甲烷

体积分数云图

􀅰７３０􀅰哈尔滨商业大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　第３５卷

从图４可以看出ꎬ２.５ｃｍ管径出现甲烷的位置为１.５ｃｍ处ꎬ３ｃｍ管径出现甲烷能到达的位置为２ｃｍ处ꎬ４ｃｍ管径甲烷能到达的位置为２.７５

ｃｍ处.说明管径越大ꎬ甲烷以及分数空段越大ꎬ说明在经过文丘里管前甲烷和水的混合随管径增大而减小.

图４　２.５、３ｃｍ和４ｃｍ文丘里管前１ｃｍ处径向甲烷体积分数

０􀆰７５ｃｍ处ꎬ提高３０％ꎬ在２.２５ｃｍ处甲烷体积分１ｃｍ处ꎬ提高了３３.３％ꎬ在２.５ｃｍ处甲烷体积分１.５ｃｍ处ꎬ提高了３１.２５％ꎬ在３.３７５ｃｍ处甲烷体积分数达到最大３６.５％.不难发现ꎬ甲烷和水在经数达到最大４２.５％.４ｃｍ管径甲烷可以达到位置数达到最大３７.５％.３ｃｍ管径甲烷可以到达位置

　　如图５所示ꎬ２.５ｃｍ管径甲烷可以到达位置

过文丘里管后混合效果粗略认为均能提高３０％ꎬ所以利用甲烷培养甲烷氧化菌时ꎬ优化反应器的设计中混合元件不可或缺.如果选择２.５ｃｍ管径的反应器ꎬ那么改变混合元件尺寸的可能性较小ꎬ反应器的体积也较小ꎬ不利于甲烷氧化菌的高密培养ꎬ所以３ｃｍ是现有约束条件下最好的液体管径尺寸.

图５　２.５、３ｃｍ和４ｃｍ文丘里管截至处甲烷体积分数

　　如图６所示ꎬ２.５ｃｍ管径在管顶端甲烷体积分数最高达３７.５％.３ｃｍ管径在２.５ｃｍ处甲烷体积分数最高达４２％.４ｃｍ管径在３ｃｍ处甲烷体积分数最高达３５％.文丘里管后５ｃｍ甲烷体积分３ｃｍ管径的甲烷体积分数最大ꎬ所以３ｃｍ仍是现有约束条件下最好的液体管径尺寸.通过体积云图比较ꎬ甲烷的体积分数随时间推移逐渐趋于稳定.２.５、３ｃｍ和４ｃｍ管径的出口处甲烷体积分数最

观察图７所示的出口处的体积分数ꎬ不难发现数ꎬ虽然管径不同ꎬ但是甲烷体积分数基本不变ꎬ

高分别是３７.５％、３８％和３１％.不难发现ꎬ３ｃｍ管径是现有约束条件下最佳选择.综上轴向和径向比２.３　混合元件的几何结构确定较结果ꎬ３ｃｍ管径是最佳液体管径.

混合元件得结构设计参数包括:进气口的距

离ꎬ进相端的角度ꎬ细管管径的大小和长度ꎬ出口端的角度大小以及混合元件的个数.

３、５ｃｍ和１０ｃｍ来气液两相的体积分数云图和相同位置处甲烷体积分数的分布.

取气体入口距离范围０~１０ｃｍꎬ分别选取０、

图６　２.５、３ｃｍ和４ｃｍ文丘里管后５ｃｍ处甲烷体积分数

第６期李　斌ꎬ等:基于气液两相流数值模拟混合器优化设计􀅰７３１􀅰

图７　２.５ｃｍ、３ｃｍ和４ｃｍ文丘里管出口处甲烷体积分数

　　通过对比图８、９所示的甲烷体积分数云图ꎬ得出的结果是进口距离为５ｃｍ和１０ｃｍ时ꎬ甲烷体积分数较高ꎬ只有有充足的甲烷气体才能实现较好的传质ꎬ所以排除进口距离０ｃｍ和３ｃｍ.通过对比曲线图的横轴坐标ꎬ明显可以看出气体入口距离５

ｃｍ时ꎬ甲烷可以扩散到２.５ｃｍ高度ꎬ而进气口距离１０ｃｍ时ꎬ甲烷扩散不到２􀆰５ｃｍ高度.综上所述ꎬ进气口距离应该选择５ｃｍꎬ但是更精确的进气口距离需要进一步的确定.

图８　０、３、５ｃｍ和１０ｃｍ气体入口距离文丘里管相同位置的甲烷体积分数曲线图

图９　０、３、５ｃｍ和１０ｃｍ气体入口距离文丘里管甲烷体积分数云图

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１２０°ꎬ分别取３０°、６０°、９０°和１２０°观察甲烷体积分数和相同位置体积分数ꎬ确定具体角度.

观察图１０发现ꎬ３０°的进相角模型最高点值最大ꎬ甲烷体积分数高达４５％ꎬ但是下降率很大ꎬ呈直线下降.９０°的进相角模型虽然最高点较低ꎬ但是从横坐标看ꎬ甲烷的最高点能到达２.５ｃｍꎬ而３０°的进

　　混合元件进相端角度变化范围定在３０°~

相角模型最高点只能到达２ｃｍ.１２０°的进相角模型最高点最低ꎬ但是出口的甲烷曲线图却较好.结合甲烷体积分数云图和湍动能分布图(见图１１、１２)ꎬ可以发现文丘里管进相角度３０°、９０°和１２０°模型甲烷体积分数云图和湍动能的分布图中ꎬ明显９０°模型的湍动能分布较好ꎬ而且甲烷体积分数的云图分布较其他两个也较好.所以选择９０°的进相模型.

图１０　进相角度３０°、９０°和１２０°文丘里管相同位置体积分数曲线分布图

图１１　进相角度３０°、９０°和１２０°文丘里管模型的甲烷体积分数云图

图１２　进相角度３０°、９０°和１２０°文丘里管模型的湍动能分布

　　细管长度范围选择０~２ｃｍꎬ分别取０、０.５、１、２

观察甲烷的分布状况.细管高度选择０.５~３ｃｍ范围ꎬ分别选取０.５、１、１.５、２、２.５和３ｃｍ的模型观察甲烷的分布状况.如图１３所示ꎬ可以明显看出当细管长度为１ｃｍ时ꎬ甲烷的分布状态较好ꎬ反应器内体积分数也较大ꎻ反应器的细管部分直径为２ｃｍ时ꎬ甲烷的体积分数较大ꎬ分布也较为稳定.和没有混合元件的生物反应器相比较ꎬ细管直径为

２ｃｍ时生物反应器不会因为体积的适当减小而影响甲烷氧化菌细胞的培养和产量.细管高度增加湍动能减小ꎬ但是考虑到反应器体积ꎬ不能太小也不能太大ꎬ否则湍动能减小ꎬ不利于气液传质.如果生物反应器的细管直径继续增大会造成极端现象.综合比较甲烷体积分数和甲烷分布曲线图ꎬ选择１ｃｍ长度的细管和直径为２ｃｍ的生物反应器模型ꎬ更有利于促进气液传质.见图１４.

第６期李　斌ꎬ等:基于气液两相流数值模拟混合器优化设计􀅰７３３􀅰

图１３　细管长度０.５ｃｍ和１ｃｍ文丘里管模型相同位置甲烷分布曲线图和甲烷体积分数云图

图１４　细管直径０.５、１、１.５ｃｍ和２ｃｍ文丘里管模型的甲烷体积分数分布图

　　局限于文丘里模型的结构参数ꎬ混合元件出口端角度的大小范围取４°~８°ꎬ比较随角度增大ꎬ甲烷分布状态和甲烷体积分数的变化.选择最合适的混合原件单元ꎬ最后模拟３个混合原件单元ꎬ数值模拟甲烷的分布状态和体积分数大小值的变化ꎬ确定生物反应器的最佳混合元件.

从图１５可知ꎬ随着角度的增大ꎬ甲烷的体积分数最大值降低ꎬ横坐标越向后移动ꎬ但是变化极其微小ꎬ均在０.０１７５~０.０２之间ꎬ虽然可以通过增加个数解决问题ꎬ但是纵坐标降低幅度较大.后端

７°和８°模型的湍动能分布图ꎬ管道的后端位置有波动的湍动能现象ꎬ所以选择后端出口角度为７°的模型.

反应器管径选择３ｃｍ管径ꎬ混合原件单元的最终模型确定为进气口距离为５ｃｍꎬ进口端的角度为９０°ꎬ细管模型高度２ｃｍ长度１ｃｍꎬ出口相角度为７°.随混合元件的个数增加ꎬ甲烷和水的混合状态会更好ꎬ因为整个生物反应器的构建包括提供驱动力的液体泵和三个混合原件ꎬ鉴于生物反应器

角度的增大可增加一定的湍能ꎬ观察后端角度６°、

􀅰７３４􀅰哈尔滨商业大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　第３５卷

的长径比限制和上升与下降段的体积比限制ꎬ所以混合元件的个数最终确定在５个ꎬ混合效果图即甲

烷相体积分数分布云图如图１６所示.

图１５　后端角度６°、７°和８°文丘里管模型的甲烷体积分数分布曲线图和湍动能图

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３　结　语

本文基于甲烷和水两相流对文丘里管式混合

器进行数值模拟研究ꎬ涉及气液两相流的传质理论和数值模拟关键步骤.结果均通过计算机ＦＬＵＥＮＴ数值模拟结果呈现ꎬ分析文丘里混合器内甲烷体积分数变化趋势和湍动能变化趋势.最终确定了适用于甲烷和水混合的水平管式循环生物反应器的管径ꎬ以及专用型文丘里混合器结构参数.为水平管式循环生物反应器的优化设计奠定了基础ꎬ为甲烷氧化菌的培养和ＰＨＢ积累的工业化生产提供了理论基础.参考文献:

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