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攪拌是現代沼氣工程必不可少的操作單元,可大幅提高沼氣工程發酵效率,提升產氣率和污染物去除率  [1-2]  但由于沼氣工程發酵必須在嚴格密閉的條件下進行,設計人員無從掌握攪拌時的流場形態,缺乏優化設計的依據,往往只能憑經驗設計攪拌方式,有可能并不適用于其罐體形狀和原料特性3,一些粗劣的攪拌工藝對發酵效率的提升收效甚微,甚至反而消耗更多能源。現在計算機數值模擬方法可以在很大程度上解決這個問題,沼氣工程發酵料液的攪拌本質上是在外力作用下的流動過程,數值模擬計算可以幫助人們掌握其理論上的流動過程和流場形態。而隨著現代計算機技術的持續發展,沼氣工程發酵

裝置內部流場的精確計算也變得越來越簡便可行5。目前沼氣學界應用最廣的流體力學數值模擬工具是計算流體動力學( Computational Fluid Dynamics,CFD)。2002年,美國北卡羅萊納州立大學的弗雷明6( JG Fleming)發表了題為《 Novel simulation of anaerobic digestion using computational fluiddynamics》的博士學位論文,是第1篇系統論述利用CFD方法研究沼氣工程發酵料液混合攪拌流場形態的論文。此后,沼氣學界大量應用該款成熟商業軟件,在流場形態的研究方面取得了極大進展。盡管由于攪拌提升沼氣工程發酵效率的根本機理尚不夠清楚,所以關于攪拌的具體方法,學界尚存一定爭議刀。但

是,利用CFD工具,研究人員可將攪拌所形成的流  場可視化,從而更加精確地驗證和指導攪拌方式  的設計0,使沼氣料液攪拌領域的研究在很大程  度上擺脫了不可視條件的束縛,提升至更科學、精準  的可視化、數量化研究層面上來,是21世紀以來沼  氣學界較為先進的一個研究方向  國內外一些研究表明CFD可以較為精確地模  擬出沼氣工程發酵料液的流場形態。 Vesvikar模擬計算  了料液的流向、平均流速、湍流動能、切應力、粒子循  環時間氣體升流分布6個方面的數據,并用粒子示

蹤法加以驗證,證明了CFD計算的結果是與事實相  吻合的,表明CFD方法可以精確模擬料液流場形態2。在此前提下,Karm將合速度絕對值低于最  高值5%的區域定義為“弱攪拌區( poorly mixing

aone)”,并計算了某流場的弱攪拌區,評價了流場的  優劣,并初步指出影響弱攪拌區大小的因素。

Mehul s. Vesvikar用CFD試算了大量攪拌方案后

發現流場最差的情況下,弱攪拌區占罐體總體積的

比例可以高達59.7%1,可見優化潛力巨大。而吳斌鑫則將合速度絕對值低于0.001m  域定義為“死區( dead zone)",并通過CFD模擬計算驗證了死區就是攪拌動能的死角,就算增大射流初速度,甚至將初速度增大到5.7m·s-這樣的極端情況,亦只能使非死區的動能更加充沛,卻并不能減少死區所占的空間。這也提示了筆者,一味加攪拌功率并不能改善流場形態,而只能通過優化設計來改善。但就目前的研究進展來看,學界找到了一些利用CFD方法掌握流場形態的方法并用于研究,但在利用CFD改進沼氣工程設計的實踐應用方面仍有較大欠缺

筆者試圖通過一次利用CFD方法模擬構建沼氣厭氧發酵裝置流場形態,從而優化設計攪拌流場的典型范例,闡述底部進水和分散式出口整流布水工藝對打破沼氣工程靜態發酵,重新構造流場的作用,同時介紹利用CFD優化設計沼氣工程發酵料液攪拌流場的步驟方法

1模擬對象與數學模型

1.1模擬分析對象與條件

筆者首先構建一個具有底部和側面兩個孔洞的閉式循環系統,通過泵提供動能,形成循環攪拌。由  于本文研究對象僅限于沼氣工程發酵罐內的料液部分

不考慮氣體部分和閉式循環系統的其余部分,所  僅僅將100m高的料液部分作為模擬計算的象,所以模型簡化為1000m高的液柱和兩個直徑100m的圓形孔洞,如圖1所示。

沼氣工程發酵料液成分復雜,但多為低濃度溶液Kaim認為液體的粘性系數并不影響流態,所以絕大多數料液包括固液多相流的基本流場形態均是與純水流場相似的。筆者首先計算水在沼氣工程發酵裝置中的基本流態,用普通的水作為介質,模擬說明各種沼氣工程發酵裝置中流體的基本流態,然后掌握其  基本流場形態特征,作為罐體優化設計的基本依據1.2數學模型  由于現階段模擬計算僅以水為介質,所以采用  單相流方法求解,其流體流動連續性方程如下

2速度入口方向的選擇

2.1關于攪拌方式的選擇  根據邱凌的研究,動態發酵比靜態發酵年均  產氣量提高31.0%~72.4%。而根據楊浩、鄧良  偉等的研究綜述,說明業界已經明確攪拌確實有  利于沼氣工程發酵。但關于攪拌的方式尚存一定爭議,  Khursheed Karim(30比較了葉輪機械攪拌、水力攪拌  和氣動攪拌3種方式,指出在低濃度下,不同攪拌方  式對提升產氣率的效果均不明顯,但TS濃度(干物質濃度)達到10%時,3種攪拌方式下的產氣率則  分別比不攪拌高22%,29%和15%,說明水力攪拌或是最佳方式。而關于攪拌功率輸入的部位,則主  要存在側插式攪拌和底部攪拌兩種爭議2-21。現將水力攪拌的水力速度入口分別設于側面和底部,用CFD模擬計算其流化效果,并進一步試算其優化模型,以作比較分析。

2.2側面進水,底部出水

置邊界條件為入口速度1m·s-1,并設置重

力加速度為9.81m·s-2,通過模擬結果圖3,圖4看,流速分布很不均勻,進水口和出水口之間的水力通路明顯,其余區域尤其是高位的流速則非常低。

截取高度為0.2m和0.8m的兩個截面作比較,通過圖5和圖6看,高位的流速遠遠小于低位。這可能是因為重力加速度指向初速度的垂直方向所以加速度偏向非常嚴重。

2.3底部進水,側面出水  轉換速度入口和壓力出口,即形成底部進水,側  面出水的格局。邊界條件和重力加速度等操作條件

與2.2相同。通過模擬結果圖7,圖8看,流速分布仍不是非常均勻,但比上一種攪拌方式有明顯提升,尤其是在位置較高的區域。

通過模擬結果圖9,圖10看,高度為0.2m和  0.8m的兩個截面流速差距比上一種攪拌方式小很  多,這可能是由于重力加速度指向初速度的豎直方  向,所以沒有造成加速度嚴重偏向某一側方面。2.4底部進水是最佳攪拌方式  通過以上兩種進水方向的比較,顯見底部進水

的方式下,整個區域的流場分布更均勻,攪拌的影范圍更大。可見在水力攪拌的部位選擇問題上部攪拌比側插式攪拌更優。

3壓力出口優化設計

3.1分散式出口設計

從前文的模擬結果看,進水口和出水口距離太近,容易形成短且單一的水力通路,導致料液滯留時

間短,流化區域小,高于側面出水管的部分流速急劇  降低,大部分區域速度接近于0,顯示未形成全區域  的理想流化效果。考慮改變設計,將出水管抬高至離底面0.8m處,并設計4個出口,如此則有望在區域中形成多個流通環路,實現速度、壓力、分流量的再分配,如圖11所示。

3.2模擬優化設計方案的基本流場

根據優化的設計方案模擬底部進水方式的流場,仍采用控制容積法劃分網格,按每邊300個網格設置,共生成2921029個網格,其網格模型如圖12所示。

設置邊界條件為入口速度1m·s-1,設置重力加速度為9.81m·s2。通過模擬結果圖13,圖14看,優化設計下,較高區域獲得的動能遠比原設計多,速度分布均勻得多。

而通過模擬結果圖15,圖16看,高度為0.8m的截面流速比高度為0.2m的截面更高,而且各自的分布都很均勻。這意味著大量的動能被輸送到高位,在實際工況中,不溶于水的發酵原料會被帶至

4結果與討論

筆者以1個小型沼氣工程發酵裝置為例,完整展示了利用CFD數值模擬可視化研究沼氣工程發酵料液流

場形態,并以之為依據優化設計罐體和攪拌形態的  方法。在本算例中,筆者通過直觀可見的模擬流場  形態分析,首先說明了底部進水相比側面進水的優  勢,闡明了進水加速度方向應該逆重力方向的原理。  其次通過分散式壓力出口與集中式壓力出口的流場  分析,閘明了高位分散式壓力出口設計可以將動能  擴散到更廣闊空間,從而優化流場形態的原理。綜  合以上改進步驟,便是一個沼氣工程發酵裝置流化方案  的優化設計過程,這應該成為沼氣工程設計的主流方法,為廣大設計人員所掌握  另一方面,沼氣工程發酵料液成分非常復雜,但以水  為介質的CFD模擬可以作為流場設計的基本依據  普遍適用于大多數液態發酵原料。一些以動物糞便  為主要發酵原料的工況,可以將糞便原料處理成固  體顆粒,與水形成固-液兩相流工況進行多相流模擬  計算。但這種算法下液相的流場形態仍是與基本流  場形態高度相似的,而且改變攪拌參數也只影響  固相的流動形態,對液相的影響并不大3),所以掌  握以水為介質的單相流模擬結果,就在很大程度上  掌握了這種罐型和流化方案的基本流場形態,對優  化設計具有重要指導意義。即便該沼氣工程發酵裝置改  變工況,采用不同的發酵原料,其基本流場仍在設計  人員的掌握中,可以根據原料流變特性有依據地調整流化方案。所以,在工程設計中,設計人員應該首先充分利用CFD方法掌握以水為介質的基本流場形態,才能以此為依據,進行優化設計,但目前CFD

法還較多地停留在科研領域,在工程設計領域應用太少,這正是沼氣行業亟待加強的一個方面

在下一步工作中,筆者還將進一步介紹各種復雜多相流流場形態的分析及其優化方法,為更多更復雜發酵原料的工藝提供指導

水力攪拌時,若速度入口與重力方向形成較大  夾角(如垂直),則加速度偏向一側,導致流場分布  不均,所以應該使速度入口盡量與重力方向相反,這  樣既避免加速度偏向一側,又可以借助重力在攪拌  的時間間歇形成上下翻滾

傳統設計理念中,為方便出渣,出渣管往往設計  得很低,接近發酵罐底部。但在水力攪拌條件下,壓  力出口應該設計得盡量高,才有利于避免過短的水  力通路,擴大水力攪拌的影響范圍,促進全區域的充  分均勻混合

設計多個出渣口,實際形成多個壓力出口,可在  發酵罐內部形成多個流通環路,并相互交叉,實現流  速、壓力、分流量的再分配,極大優化罐內的流場形態  CFD數值模擬方法可以將肉眼不可見的流場  形態用圖形展示,可以讓設計人員在一定程度上掌  握流場,從而幫助優化設計攪拌,應成為沼氣工程流場設計的主流方法。

摘自《中國沼氣》2018第一期 馮琳 郭亭 趙鑫 羅濤 梅自力 龍燕 黃如一

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