利用CFD方法优化沼气发酵罐内流场形态的研究综述

料液搅拌是现代沼气工程不可或缺的附属工艺,能够大幅提升发酵效率。利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模拟计算料液在厌氧消化罐内的流动过程,可以得到流场分布图,实现流场可视化,根据图形识别流场形态的特点和缺陷,优化设计搅拌形式和运行参数。近年来,利用CFD方法模拟沼气发酵料液搅拌的研究,在优化设计罐型、搅拌形式、搅拌运行参数、料液混合方式等方面都取得了极大进展,提升了沼气科学研究的层次,是沼气科学发展史上的一个重要阶段,并代表了未来的发展方向,文章综述了该阶段的研究进展。     

利用CFD工具优化设计沼气工程流场形态的方法研究

掌握、优化流态,可以显著提高沼气工程的厌氧发酵效率。计算机数值模拟计算方法是当前分析研究流场形态的常用方法,非常适用于处于严格密闭状态下的沼气发酵料液流场形态分析。文章以1个模拟建立的小型沼气厌氧发酵罐的清水工况为例,通过计算流体动力学(CFD)软件构建发酵罐的内部流场进行模拟计算分析,阐述底部进水和分散式出口两种整流布水工艺的流体力学原理,介绍了利用CFD软件优化设计沼气料液流场的方法。     

利用CFD多相流模型优化设计沼气料液搅拌流场的方法研究

搅拌是现代沼气工程必不可少的工艺,优化料液搅拌的流场形态,可使发酵物料分布更加均匀,从而提高沼气的产量和污染物去除率。采用底部进水、高位分散式压力出口的设计方式可以显著优化流态。沼气发酵搅拌实质上是一种固液两相流过程,其初始阶段固体颗粒较大,后期将处于高浓度粘性液体(非牛顿流体)状态。文章设计了一台容积0.75 m~3的厌氧消化罐,利用计算流体力学(CFD)软件,以水为介质,模拟初期的基本流态,并采用欧拉模型模拟后期的高浓度粘性流体流态,从而验证底部进水、高位分散式压力出口设计方案的优化效果。通过对几种进料速度的搅拌效果进行分析,发现在清水介质工况下,采用0.6 m·s~(-1)的进水流速,比1 m·s~(-1)流场分布更均匀,避免了分层。但在秸秆介质工况下,采用1 m·s~(-1)却比0.6 m·s~(-1)更均匀,并能避免分层。文章通过变工况模拟分析的对比演示,阐述了利用CFD多相流数值模型分析不同工况混合搅拌流场形态,优化设计搅拌参数的方法。     

水力搅拌加速沼气工程启动的研究——(Ⅱ)流场模拟部分

该研究验证了水力搅拌在沼气工程启动阶段的显著优化作用,用3台653.5 L的厌氧发酵实验罐进行接种液启动实验,通过42天连续发酵,采用底部进水高位集中压力出水(单口)和底部进水高位分散式压力出水(四口)两种循环流化水力搅拌方案均取得了显著的优化效果,但四口方案的优化程度明显高于单口方案。利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)数值计算方法,模拟搅拌流场,通过图形识别流场形态缺陷和改进方法,阐述流动规律和产气率、甲烷含量、酸性、COD浓度、氨氮浓度等指标的内在联系,在一定程度上揭示了优化设计水力搅拌方案内在的流体力学机理。     

全混式厌氧发酵反应器优化研究进展

当前,国内外沼气工程中厌氧发酵普遍采用全混式厌氧发酵反应器(CSTR),并且反应器内部通过安装搅拌装置,提高混合效果,促进产气。但是目前关于反应器内部结构、搅拌方式等对混合效果的影响仍未有系统研究,并且关于搅拌装置等反应器结构优化方法仍未建立。文章重点针对国内外对于CSTR结构与搅拌装置等对混合效果、传质传热过程与流场模拟等进行系统梳理,并对结构优化方法等进行归纳,CFD方法对于混合效果的模拟直观准确,以期为其结构优化研究提供借鉴。     

沼气池搅拌的CFD模拟及温度场验证

为了对底侧入式搅拌的沼气发酵池内的流场进行研究，该文采用计算流体力学方法，以上海市崇明县某示范工程的主体沼气发酵池（69.3 m3）为对象，对流场和温场进行计算模拟，并通过温度测量来验证温度数值模拟的可靠性，从而间接验证流场数据准确性。通过温度场的模拟和实测数据对比，整体温场模拟和实测数据在0.05水平下无显著差异；通过流场模拟和工程运行的观察，都反映此发酵池中设计的底侧入式搅拌不能充分实现发酵池的搅拌。但模型在相关设定上仍有与实际不符之处，模型仍有待完善。     

基于CFD的气体分散器对全混厌氧发酵搅拌影响数值模拟

搅拌是全混厌氧消化工程中不可或缺的工艺。适当的搅拌形式可优化流场模拟,使发酵物料分布更加均匀,从而提高沼气的产量和有机物的去除率。气体分散器的结构直接影响全混厌氧消化罐内搅拌效果。在原兰州全混厌氧消化罐A型气体分散器模型的基础上构建了B、C两种结构的气体分散器,并通过CFD多相流模型模拟分析3种分散器结构对全混厌氧消化罐内搅拌流场的影响。结果表明：在沼气流量为500 m~3·h^-1时,A、B、C型分散器的引流能力分别为8200 m~3·h^-1,6560 m~3·h^-1,9200 m~3·h^-1,优化后的C型分散器比原A型引流能力提高了12%,可增强全混厌氧消化罐内搅拌强度。     

离心泵压力脉动特性分析

为了研究压力脉动在离心泵不同位置的变化规律及其关系,利用CFD技术对离心泵内部流场进行多工况定常与非定常三维数值模拟,得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况,并对其进行频域分析.结果表明,设计工况和大流量工况下,叶频是主要影响频率,而在小流量工况下,轴频是主要影响频率;压力脉动幅值随偏离工况的情况而变化,同一流量下,流道的进出口压力脉动变化大.     

不同桨层搅拌沼气发酵效果对比及其CFD模拟研究

本文对无搅拌、二层桨搅拌、三层桨搅拌三种沼气发酵效果进行了试验研究,并采用计算流体力学软件fluent对二层、三层搅拌罐混合过程进行了模拟,数值模拟采用了欧拉—欧拉方法。试验结果表明有搅拌要比无搅拌沼气产量高出20%以上,三层桨搅拌效果明显优于二层桨;数值模拟中对液相流体分布进行分析,模拟结果显示三层桨液相流动速度大于二层桨,数值模拟结果与试验研究结果具有一致性,说明应用CDF模拟沼气发酵过程中的原料搅拌过程具有可行性。     

搅拌罐内纸浆悬浮液内部流动数值模拟

对搅拌罐内纸浆悬浮液的两相流场进行研究,分析搅拌罐内液相流场的流动规律.应用计算流体动力学软件Fluent对搅拌罐内纸浆悬浮液的混合进行数值模拟,采用非结构化四面体网格,利用多重参考系法,选用标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法,分别模拟了搅拌器5种不同安装高度下的搅拌流场,并分析了搅拌器的速度流线分布、搅拌器叶片表面的压力分布规律、搅拌罐内固体体积分数的分布和搅拌功率.模拟结果表明：搅拌器形成一个较大的搅拌流场,主体循环较好,由固体体积分数分布图和漩涡所在平面固体体积的分布规律明确了倒锥体区域和漩涡区的位置.由搅拌器的功率系数对搅拌器的性能进行判定,根据此判定依据可知,所设计的搅拌器性能优良,研究结果对搅拌器的优化设计具有一定的参考价值.     

搅拌罐内纸浆悬浮液内部流动数值模拟

对搅拌罐内纸浆悬浮液的两相流场进行研究,分析搅拌罐内液相流场的流动规律.应用计算流体动力学软件Fluent对搅拌罐内纸浆悬浮液的混合进行数值模拟,采用非结构化四面体网格,利用多重参考系法,选用标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法,分别模拟了搅拌器5种不同安装高度下的搅拌流场,并分析了搅拌器的速度流线分布、搅拌器叶片表面的压力分布规律、搅拌罐内固体体积分数的分布和搅拌功率.模拟结果表明：搅拌器形成一个较大的搅拌流场,主体循环较好,由固体体积分数分布图和漩涡所在平面固体体积的分布规律明确了倒锥体区域和漩涡区的位置.由搅拌器的功率系数对搅拌器的性能进行判定,根据此判定依据可知,所设计的搅拌器性能优良,研究结果对搅拌器的优化设计具有一定的参考价值.     

搅拌滚筒内非牛顿流体的流场分析

针对混凝土这种典型的非牛顿流体中的宾汉流体,建立了其本构方程和流体力学模型.以有限元为依据,应用计算流体动力学技术,基于k-ε模型,利用Fluent软件计算了预拌混凝土在搅拌滚筒内的三维流场,数值模拟搅拌叶片螺旋角为73°时流场的流线和轴向出料速度,较为真实地反映了混凝土在滚筒内搅拌的实际情况.通过与搅拌叶片螺旋角为66°和80°的搅拌滚筒内流动的模拟计算比对,表明螺旋角为73°的叶片的搅拌性能和出料速度均优于其他螺旋角的搅拌叶片,能满足搅拌运输车的搅拌滚筒对拌料匀质、送料连续和低动力消耗的要求.同时进行了相应的试验比对,验证了模拟分析的正确性.该搅拌筒内非牛顿宾汉流体混凝土流动的数值模拟,表明基于k-ε模型的CFD数值模拟方法可以用于搅拌筒内混凝土这种非牛顿流体的搅拌过程的分析.     

离心泵压力脉动特性分析

为了研究压力脉动在离心泵不同位置的变化规律及其关系，利用CFD技术对离心泵内部流场进行多工况定常与非定常三维数值模拟，得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况，并对其进行频域分析。结果表明，设计工况和大流量工况下，叶频是主要影响频率，而在小流量工况下，轴频是主要影响频率；压力脉动幅值随偏离工况的情况而变化，同一流量下，流道的进出口压力脉动变化大。     

利用搅拌提升沼气发酵效率的研究进展

搅拌可以提升厌氧发酵产沼气效率,但其内在机理尚不够明确,所以在复杂工况下很难寻得效率最优的搅拌形式。但近年来该方面研究成果较多,各种搅拌形式在不同原料特性、发酵条件、工况参数运行下的效果不断得到验证,机理也逐渐得以明晰。文章就该领域近年来国内外主要研究成果进行综述,在一定程度上阐明了某些特定工况下适宜采用的搅拌形式。     

迷宫滴头CFD模拟精度影响因素的正交试验分析

近几年出现的计算流体动力学(CFD)数值模拟方法已经成为滴头研究中的重要手段.在利用FLUENT求解器对迷宫滴头流道内流场进行CFD数值模拟时发现:当对求解器进行不同设置时,CFD模拟精度存在较大差别,因此有必要对影响滴头CFD模拟精度的主要因素进行分析,找出合理设置求解器的方法,以便CFD数值模拟可以取得理想的模拟精度.利用FLUENT软件对迷宫滴头流道内流场进行了数值模拟,并与实测结果进行对比,对影响滴头CFD数值模拟精度的主要因素进行了正交试验分析,研究了网格单元尺寸、CFD计算模型和近壁面处理方式对CFD模拟精度的影响特性.找出了能使CFD数值模拟取得理想精度的求解器设置方法.     

内燃机工作过程数值模拟中的CFD

本文简要介绍了内燃机工作过程数值模拟和内燃机CFD的发展历程,并介绍了内燃机CFD的各个组成部分和缸内紊流流场的基本算法,最后指出了内燃机CFD的发展趋势。     

流线型两叶片XCK搅拌器内部流动

采用三维建模软件Pro／E建立三维实体模型,利用FLUENT6．0大型计算流体力学软件,采用非结构化四面体网格,利用动坐标系技术,采用κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,对新型流线型两叶片XCK搅拌器进行了流场模拟,分析了全罐的速度矢量图,并对该新型搅拌叶片处于不同安装高度的搅拌流场进行了对比,发现轴流式叶轮比径流式叶轮的搅拌效果要好．计算结果表明,该新型搅拌器流场为轴对称,属于轴流式搅拌器;该新型搅拌叶片安装在搅拌罐中部时,轴向流最突出,搅拌循环最明显．     

基于逆向工程的混肥搅拌器重构及CFD模拟

以灌溉施肥系统重要组成部分混肥搅拌器为研究对象,基于逆向工程技术,对搅拌器叶片进行三维重构和偏差分析,结果显示:重构叶片曲面90%以上区域精度达到±0.1 mm。基于ICEM软件对搅拌器流场域进行建模和非结构网格划分,采用多重参考系法、欧拉模型和RNG k-ε湍流模型实现不同搅拌速度和桨叶离槽底高度下搅拌器性能的CFD模拟,对不同工况下搅拌器的搅拌效果进行分析讨论,为混肥搅拌器的应用和优化设计提供一定参考依据。     

高比转速斜流泵内部三维湍流场数值模拟的研究

利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic,简称CFD)商用软件FLUENT中的标准湍流模型及其标准的SIMPLE算法,对比转速为800的斜流泵在3个典型工况下的内部三维湍流流动进行数值模拟.通过分析该斜流泵内部流动的速度、压力分布,揭示了其内部流动的主要特征;同时,分析了流场中冲击、二次回流等流动现象,为改进高比转速斜流泵的水力性能提供了直观的物理信息.     

离心泵水力性能数值预测

采用标准κ-ε湍流模型和SIMPLEC 算法,将近年来快速发展的CFD技术应用在不同的工况下,并对离心泵内流场三维不可压湍流的流动进行数值模拟,揭示了泵内部湍流流场的分布规律,对于了解离心泵内部的流动情况、改善内部流动、提高离心泵的效率和改进离心泵的水力设计有一定的参考价值.