新型加压生物反应器内部流场研究

在不干扰流场的情况下,利用PIV流场测试系统对改造的微孔曝气生物反应器内部流场进行高精度可视化测量.在较宽的操作条件下,通过对不同曝气通量工况的流场测试和数值模拟,得到了不同表现气速下液相的速度矢量场;分析了液相循环速度大小对反应器流动特征的影响及其对气液的混合和传质以及含氧率的影响,为曝气生物反应器的设计与放大提供了依据.     

浸没式膜生物反应器内膜面传质特性实验

应用粒子图像测速(PIV)技术测试膜面附近的气液两相流动力学特性,在6种不同曝气强度条件下,测试得到膜面附近的液相流场数据,并计算得到膜面传质系数、浓差极化边界层厚度以及膜面切向应力等膜面传质特性参数。结果表明,曝气强度和液相速度对膜面传质特性的影响较大,在一定范围内增加曝气强度可以使得膜面传质特性加强。本文的研究结果为膜生物反应器系统的优化设计提供了研究经验和实验数据。     

基于PIV荧光粒子法的膜面气液两相流场特性研究

采用PIV荧光粒子法研究了1.0、1.5、2.5 mm 3种不同的曝气孔径下,不同曝气强度对膜面气液两相流流场流体力学的影响。实验应用Size-Shape-Analysis模块分析了在曝气孔径为1.5 mm、曝气强度为24 L/h条件下,膜面流场中气泡的运动规律以及3种不同曝气孔径在曝气强度为24、48、72、96、140、180、220 L/h下近膜面雷诺应力的变化规律。结果表明由1.5 mm曝气孔径产生气泡运动过程中,气泡形态呈椭圆形,等效直径主要集中在5~6 mm之间,大部分气泡速度集中在0.1~0.2 m/s之间;曝气强度的增加与雷诺应力的变化呈正相关关系;在本实验条件下,1.5 mm曝气孔径、140 L/h曝气强度下可产生较大的雷诺应力的变化,为最佳曝气孔径与曝气强度取值。本研究为优化膜生物反应器内流场进而减轻膜污染提供了理论依据。     

气体搅拌下厌氧消化反应器CFD数值模拟及模型研究

采用数值模拟方法对气体搅拌下厌氧消化反应器内气液两相流动进行研究,探讨不同流量下反应器内非牛顿液相的速度场、流场及动力黏度等流体动力学信息,并进一步分析不同多相流模型、相间作用力以及多相湍流模型对液相速度的影响。结果表明:入口气体流量的增大并没有对流场形态和旋涡分布产生明显影响,但能有效降低液相动力黏度峰值,改善厌氧消化反应器内液相的流动性,尤其影响着反应器四周底部区域液相动力黏度。入口流量为2.05 m L/s及5.3 m L/s时,欧拉双流体模型与欧拉双流体模型耦合群体平衡模型(Population balance model,PBM)模拟得到的液相速度与实验值较为接近,并优于欧拉-拉格朗日模型;采用标准k-ε模型(Standard k-ε),重整化群k-ε模型(RNG k-ε)得到的液相速度模拟值优于可实现k-ε模型(Realizable k-ε)。相间作用力考虑为升力及曳力组合时,模拟得到的液相速度与实验值吻合良好。     

膜片式微孔曝气生物反应器的实验

为了适应在高营养、高密度、高溶氧、高粘度、低剪切条件下培养微生物和动植物细胞或组织的需要，研制了新型的膜片式曝气生物反应器。其关键部件是膜片微孔曝气分布器。对反应器进行了流动特性、压降、气含率等方面的研究，选取了最佳的膜片微孔曝气分布器。实验结果表明：这种生物反应器产生的气泡均匀，供氧效率高，混合性能好，且对介质无机械的剪切破坏作用，与机械搅拌生物反应器相比，可节约1／2的电能，可被广泛应用于中小型反应器。     

一体式沼气安全脱硫反应器的操作优化和运行性能

文章采用正交试验考察了曝气量、气液比、脱硫液碱度对一体式沼气安全脱硫反应器脱硫效能的影响.试验结果表明,操作条件对反应器脱硫效能的影响程度为:曝气量＞脱硫液碱度＞气液比.在反应器容积气体负荷为32.5 m3·m-3d-1,硫化氢浓度为10 g · m-3的条件下,最佳操作条件组合为曝气量72 m3·m-3d-1,脱硫液碱度为4000 mg·L-1,气液比为0.625.在反应器容积气体负荷为40 m3·m-3d-1,硫化氢浓度高达20 g·m-3的条件下,反应器的容积硫化物去除率为0.74 kg·m-3d-1,沼气脱硫率为93.8％.一体式沼气安全脱硫反应器脱硫成本为0.11元·m-3和6元·(kg-S)-1.     

旋转磁场光磁污水处理反应器的流场模拟与分析

许多环境工程设备需要针对不同的废水情况进行设计,但是污水处理反应器中的内部流场极其复杂,单靠经验很难判断设备的工作情况和净化效果.为了研究旋转磁场光磁污水处理反应器的流场空间分布特点,采用Gambit软件建立光磁反应器的物理模型,利用Fluent软件对三维模型的流场进行数值模拟,讨论了3种转速下对内部流场的影响,并分析了不同转速下液相流的流场分布特点.结果表明,流体流速随转速增大而增大,转速为0.2 rad/s时,流体流动较弱;而转速为0.5 rad/s时,流体能充分循环流动,但流场流速偏低;虽然转速为1.0 rad/s相比转速为0.5 rad/s时的流体紊动动能大,流场分布均匀,但此时会形成旋涡.分析不同转速下的流体流场特点,可为反应器结构设计优化提供参考.     

加压微孔曝气反应器内气含率的实验研究

本文对内径0．3m、高1m的加压微孔曝气反应器内的气含率进行了系统的研究,得出了曝气通量、表面张力、粘度和系统压力对气含率的影响特性。得出在实验范围内,反应器内的气含率随曝气通量、操作压力的增大而增大,随表面张力、粘度的增大而减小,根据质量守恒定理和气泡聚并的能量理论作出了定性的解释,同时根据试验数据得出了气含率的实验关联式。     

迷宫螺旋泵气液两相流场的数值模拟及试验

基于混合物多相流模型、RNGk-ε湍流模型和SIMPLEC算法,应用CFD软件Fluent对迷宫螺旋泵内气液两相流场进行数值模拟并通过试验进行验证.通过分析流道内不同截面上的压力、速度以及含气率分布,研究泵内气液两相流场的流动情况.模拟结果表明,压力分布从进口到出口沿螺旋槽逐渐升高,增压效果明显,速度分布在环形腔的外侧比在内侧稍大,螺旋部分含气率分布比较均匀,进出口处出现含气率分布不均匀现象,局部含气率较高,在此要防止气堵现象的发生.试验结果表明所采用的计算模型基本符合泵内部流动的实际情况,这说明模拟结果一定程度上揭示了迷宫螺旋泵内部气液两相流场的流动规律,可为迷宫螺旋泵气液两相流研究提供理论依据,试验结果同时表明迷宫螺旋泵进行气液混输时具有良好的曝气效果,可作为传统曝气设备的替代产品.     

叶片形状对倒伞曝气机性能的影响

为了探究直叶片和倾斜叶片对倒伞曝气机性能的影响,获得不同叶片形状倒伞曝气机驱动下氧化沟的流场特性,以1个符合几何相似、运动相似和动力相似理论的缩比双倒伞曝气机驱动下的氧化沟模型为研究对象,采用VOF自由液面模型与标准k-ε湍流模型相结合的方法,对不同叶片形状的倒伞曝气机驱动下的氧化沟内部流动进行了三维数值模拟.结果表明,2类倒伞曝气机消耗的功率相近,叶片形状的不同影响着倒伞曝气机的充氧能力和推流能力:直叶片倒伞曝气机驱动下,氧化沟过轴截面的气相体积分数较倾斜叶片大0.66%;直叶片倒伞曝气机对表层水域的推动能力较强,而倾斜叶片倒伞曝气机则对底层流体有较强的推动能力,沟底死水区相较于直叶片倒伞曝气机减小0.70%,且倒伞曝气机附近的流体能以较快的速度流向壁面;在双倒伞曝气机驱动下,氧化沟内的流动呈对称分布,下游倒伞曝气机能够明显提升和加速来流速度.     

上升流速对三相分离器分离效果影响的三维稳态模拟

以Eulerian多相流模型为理论框架,利用计算流体力学(CFD)技术对厌氧反应三相分离器中USAB反应器在不同设计流速下的固、液、气三相三维流场以及分离效率进行模拟分析,模拟中采用的5种设计上升流速分别为：0.50、0.75、1.00、1.25、1.50m/h。模拟结果表明：设计上升流速对反应器内部流动的影响明显,实际的液相平均流速约为设计上升流速的3倍左右,气相的平均流速比液相的高约10%;固相平均速度比设计上升流速低,约为其1/2弱,固相的最大垂直上向流速与设计上升流速完全一致。低的设计上升流速下的固、气分离率略高于高的上升流速情况,分离率差别小于2%。实际工程试验表明,理论模拟值与实测值相对误差在8%以内。     

风幕式喷杆喷雾雾滴粒径与速度分布试验

为了研究风幕出口风速和风幕出风口与喷口的水平距离对雾滴粒径和雾滴速度分布的影响,运用PDPA测试系统对不同条件下的风幕式喷杆喷雾气液两相流场进行了测试,对雾滴粒径、速度分布的测量结果进行了分析和讨论。结果表明:雾滴在气流场的作用下,随着风幕风速的逐步变大,雾滴的粒径变小且分布均匀,有效地增大了雾滴的沉积、减小了飘移。风幕出风口与喷口水平距离越近时,雾滴的穿透性能越好,向后飘移的趋势越弱。     

气吹式播种机气室结构对流场性能的影响分析

通过对国内外育苗播种机供种方式的研究,设计了一种基于气吹式供种的新方案,并对种箱气室进行了理论分析研究,包括种箱气室内部流场数学模型研究。同时,设计了3种结构形状的气室,运用Fluent软件平台,分别在不同高度,不同宽度、不同入口速度情况下进行正交数值模拟实验,找出各因素对种箱气室出口流场均匀性和出口速度的影响规律及结果,显示种箱气室的入口速度和气室宽度对实验结果有显著性影响,种箱气室结构形状是气室出口速度的大小及流场均匀性为主要影响因素。仿真实验结果为后期样机的制作及其试验提供了有效的理论基础。     

pH与曝气耦合调控厌氧发酵相分离技术研究

为验证pH调节与曝气处理对两相厌氧发酵相分离的影响,文章研究了以葡萄糖为底物,不同起始pH值(5.5,6.5,7.5)、不同间隔时间(8h,12h,16h)通入不同量的空气(3 L,5L,8 L),对厌氧发酵产甲烷的影响,并进一步研究了pH调节与曝气处理对秸秆两相厌氧发酵相分离的影响.结果表明:通过连续曝气处理可以降低反应器料液的pH、升高反应器料液的氧化还原电位,起始pH、曝气间隔时间及曝气量分别为6.0,8h和5L对厌氧发酵的产气量和产甲烷量的抑制有明显效果.将秸秆两相厌氧发酵系统中水解产酸相初始pH调到6.5以下,结合每天曝气3次(间隔8小时),每次曝气量≥1L空气·L-1反应器(等于或大于容器体积),不用产甲烷相沼液作水解相消化液补充回流条件下,可以有效地抑制甲烷产生,基本实现两相有效分离.     

回流缝宽度对三相分离器分离效果影响的模拟

为探索厌氧反应器中三相分离器污泥回流缝对分离器内流场及气、液、固三相分离性能的影响,以Eulerian多相流模型为理论框架,利用计算流体动力学(CFD)技术对厌氧反应器及三相分离器中的气、液、固三相三维流场以及分离效率进行了模拟分析,模拟中采用工程上常用的80、95、110、125、140 mm回流缝宽度。模拟结果表明:三相分离器内部的三相流速大大高于反应器的设计上升流速,其中固相平均流速相对较高;三相分离器内部液相流场以环流为主;污泥回流缝宽度对气、液流动相影响小,对固相影响则相对较大;三相分离器对固相的分离效率较高,混合液经过一层挡板的固相分离率均大于87%,而气相的分离率最低在60%;污泥回流缝宽度越宽、各单层的气、固相分离效率下降,通过三相分离器最上层沉淀区域的补充,混合液中的固相基本上能达到完全分离,而气相在回流缝宽度为95 mm左右时分离效率最高。     

旋流自吸泵气液两相流数值模拟

采用雷诺时均N-S方程和RNGk-ε湍流模型,使用多相流模型中的混合物模型,通过商用软件FLUENT,对自吸时旋流自吸泵内气液两相流场作了数值模拟.在对蜗壳流道和叶轮流道进行网格划分时,尺寸扭曲率为0.78.根据模拟结果,将泵内两相流场的静压分布,与单液相时的静压分布作了对比,并比较了叶轮内气相与液相相对速度的分布情况.另外,对含气率的分布情况作了分析.结果表明,自吸时气液两相状态下的静压稍小于单液相状态下的静压;泵内的主要流动是液相通过相间作用夹带气相的流动,液相速度略大于气相速度;靠近泵出口的两个叶道内,有气相的积聚,含气率较高.     

液气射流泵扩散管内部流动试验研究

采用压力传感器对扩散管壁面压力进行了测量,获得不同工作水压力和不同气液体积流量比时的扩散管增压情况.结果表明:在给定试验尺寸的有机玻璃制作的液气射流泵扩散管中,壁面压力上升的增量范围为2~5 kPa,且存在压力下降然后再上升的现象,因此,对于垂直安装的液气射流泵,需要考虑其尺寸高度产生的静压对扩散管内部流动的影响;扩散管内部流动对液气射流泵的射流混合性能影响较大,其中液气两相混合在喉管内的初始断面位置的变化对扩散管角度的设计有较大影响.采用PIV装置对扩散管内部液相流速分布进行了试验测量,获得2种气液比情况下扩散管轴线速度和断面速度分布,结果表明:轴线速度衰减约20%;扩散管的断面速度分布不均匀,在气液比较小时,出现流动偏向一侧的情况.该扩散管内部流动的研究结果可为液气射流泵应用于曝气、气体吸收等领域提供一定的理论基础.     

进气道布置对两气门柴油机进气门口空气运动的影响

在稳流模拟试验台上，利用研制的柴油机试验缸盖、气门口三维流速测量装置，用热线风速仪测量了不同进气道布置方案下的进气门口三维流场，分析了进气门口三维流场产生的缸内空气动量矩流率，揭示了进气道的布置对柴油机进气门口空气运动影响的变化规律。进气道布置角度的变化对柴油机气门口流场及动量矩流率产生很大影响。各速度的大小和切向速度分布曲线发生较大变化，并随升程的增大而更加明显；对螺旋气道的动量矩流率影响较大，随升程的增加影响增大；对切向气道的动量矩流率影响更为明显，随着升程的增加影响减小。     

离心泵叶轮内部伴有盐析流场的分析

运用流场计算商用软件Fluent6.1,模拟了伴有盐析的液固两相流状态下离心泵叶轮内部的三维湍流场,采用流场测试仪器PIV对叶轮内部流场进行了测量,通过编写图像处理软件结合Insight5.0软件对所测流场进行后处理,分别得出液相和固相的速度场。同时,分析数值计算与实验测量结果,得到了离心泵泵叶轮内部两相流动的一些规律,为防止叶轮内部结盐提供了部分理论依据。     

单层搅拌桨搅拌釜内流场数值模拟

文章基于流固耦合理论,运用计算流体动力学方法,采用FLUENT软件,分析搅拌反应器内部流场特性,研究了六直叶、六斜叶、45°六斜叶涡轮、三斜叶型搅拌桨在有无挡板及不同转速等结构及工作条件对搅拌反应器内流场特性的影响,并得出结论:在有挡板时比无挡板时的流体内部速度场分布范围更广;6叶片的流场比3叶片的流场更加均匀,搅拌效果更好;四种搅拌桨中六直叶桨搅拌效果最好,但功率消耗最高。