侧伸式高浓度厌氧反应器流场的数值模拟

第34卷第3期大连大学学报Vol.34No.32013年6月JOURNALOFDALIANUNIVERSITYJun.2013侧伸式高浓度厌氧反应器流场的数值模拟王卫京，陈理（大连大学环境与化学工程学院辽宁大连116622）摘要：本文对侧伸式高浓度厌氧反应器流场进行了数值模拟，计算采用多重参考系法和标准k-ε湍流方程。模拟结果表明，由于高浓度流体具有牛顿流动特性，流体只在反应器底部形成了循环流动，在整个反应器内的湍流特性分布不均匀。在相同条件下，牛顿流体能够形成整体循环，湍流特性比较均匀。关键词：搅拌；高浓度厌氧反应器；数值模拟中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1008-2395(2013)03-0069-03收稿日期：2012-10-11基金项目：辽宁省教育厅科学技术研究项目资助(2009A068)。作者简介：王卫京(1971-)，男，副教授，博士，研究方向：化学反应工程。厌氧反应器广泛应用于各种废水的处理过程中，侧伸搅拌是厌氧反应器常用的搅拌方式。一些废水如养殖场废水含有较高浓度的固体，这些高浓度废水具有很强的非牛顿流动特性。但目前对于高浓度非牛顿流体搅拌的研究尚未充分展开，大部分这类型厌氧反应器设计使用都参照牛顿流体的搅拌过程，结果往往不十分理想。近年来，国内外学者开始用计算流体力学对厌氧反应器内的流场进行数值模拟。RobertN.等学者用Fluent软件模拟了厌氧反应器内流动，模拟结果显示，厌氧反应器的操作参数模拟值和计算值吻合较好[1-2]。王卫京等[3-4]对双层桨高浓度厌氧反应器和侧伸搅拌厌氧反应器流场进行了模拟，并得出一些重要结论。但总体上来说，高浓度厌氧反应器内流动还未得到充分研究，距离生产实际的要求还相差较远。1流体力学模型本文对总固体浓度为14%猪粪废水厌氧反应器进行模拟，在该浓度下，猪粪废水为假塑性流体，其稠度系数K为3.7，流变指数n为0.2[5]。假设流动为稳态不可压缩流动，厌氧反应器内的湍流用k-ε方程进行计算。连续性方程为：0udiv动量方程为：peffgrad)ugradμdiv()uudiv(在方程中lteff2kCtk和分别由下述两方程得出：Gkkkeff)graddiv()udiv(kCGCeff)()graddiv()udiv(21ijijjitxuxuxuG)(21湍流模型中各常数采用Launder[6]所推荐的值：09.0C，44.11C，92.12C，0.1k，3.1。2厌氧反应器结构本文模拟了一个有两个转速为300rpm的侧伸式搅拌桨的厌氧反应器。该厌氧反应器直径为6m，高8m，用侧伸式斜叶桨搅拌，搅拌桨有三个叶片，直径为0.6m。搅拌轴水平伸入，伸入长度为1.5m，距底部高度为1米。搅拌轴与中心线成45°角。采用非结构网格对整个区域计算，其网格划分如图1所示。70大连大学学报第34卷图1厌氧反应器网格划分3模拟结果与讨论为了更好的显示高浓度非牛顿流体流动的特点，本文将高浓度非牛顿流体流动的计算结果与在相同模拟条件下粘度为0.85mPa·s污水的计算结果进行对比，模拟结果如图所示。图2是流动轨迹图，从图中可以看出，流体在搅拌桨的推动下，在反应器底部形成了局部的循环流动。而在相同条件下，粘度为0.85mPa·s的污水则形成在整个厌氧反应器内的循环流动。导致这种只能形成局部循环流动出现的原因就在于高浓度假塑性流体具有剪切稀化的特性，这种特性影响了该流体的动量传递能力，使之无法形成像牛顿流体那样的在反应器内的整体流动。这使得在同一种反应器内，高浓度非牛顿流体的混合效果不佳。因此，在生产实际中，不能够将处理低浓度污水的反应器直接用于高浓度污水的处理，需要充分考虑高浓度流体非牛顿特性的影响。图2厌氧反应器流动轨迹图（左图为牛顿流体，右图为高浓度非牛顿流体）图3和图4分别是湍流特性——湍动动能和耗散率在图1所示A—A截面的等值线图。这两个图显示出，在侧伸式高浓度搅拌桨厌氧反应器的流场中，由于循环流动集中在底部的局部区域，所以该区域的湍动比较剧烈，而对于牛顿流体在相同条件下湍流特性分布就相对比较均匀。这从另一个侧面表明非牛顿流体在厌氧反应器中有着与牛顿流体不同的流动特性，在设计高浓度厌氧反应器时，应充分考虑这二者之间的差别，而不能照搬牛顿流体厌氧反应器的经验。图3湍动动能k等值线图（左图为牛顿流体，右图为高浓度非牛顿流体）图4耗散率ε等值线图（左图为牛顿流体，右图为高浓度非牛顿流体）4结论本文对高浓度侧伸式厌氧反应器流场进行了数值模拟。模拟结果表明，由于高浓度流体的非牛顿流动特性，在侧伸式厌氧反应器内只能形成靠近底部的局部循环流动，而牛顿流体厌氧反应器则能够形成在整个反应器内的循环流动，二者流动特性有很大差别，在设计高浓度厌氧反应器时应充分考虑非牛顿流体特性的影响。参考文献：[1]RobertNMeroney,PEColorado.CFDsimulationofmechanicaldrafttubemixinginanaerobicdigestertanks[J].WaterResearch,2009,43:1040-1050.[2]MitsuharuTerashima,RajeevGoel,KazuyaKomatsu,etal.CFDsimulationofmixinginanaerobicdigesters[J].BioresourceTechnology,2009,100:2228-2233.[3]王卫京,陈理.高浓度厌氧反应器流场的数值模拟[J].大连大学学报,2011,32(3):1-3.第3期王卫京等：侧伸式高浓度厌氧反应器流场的数值模拟71[4]王卫京,陈淑花,陈理,等.侧伸搅拌厌氧反应器流场的数值模拟[J].大连大学学报,2010,31(6):34-35.[5]刘刈,邓良伟,王智勇.几种厌氧消化原料的流变特性及其影响因素[J].农业工程学报,2009,25(8):204-209.[6]LaunderBE,SpaldingDB.ComputMethApplMechEngng[M].1974,3:269.NumericalSimulationontheFlowFieldinSide-enteringAgitatedHighConcentrationAnaerobicReactorWANGWei-jing,CHENLi(CollegeofEnvironmentalandChemicalEngineering,DalianUniversity,Dalian116622,China)Abstract:Theflowfieldinaside-enteringagitatedhighconcentrationanaerobicreactorwassimulatedinthisinvestigation,byusingmultiplereferenceframemethodandstandardk-εturbulentequations.ResultsofthesimulationrevealedthatduetoNon-newtoniancharacterofthehighconcentrationfluid,thefluidcirculationwasonlyformedatthereactorbottomandturbulencepropertiesdistributionwasnotuniform.Underthesameconditions,theNewtonianfluidcouldformthewholecirculationinthereactorandtheturbulencepropertiesdistributionisuniform.Keywords:agitated;highconcentrationanaerobicreactor;numericalsimulation[上接第49页]StudyonElasticModulusofRecycledAggregateConcreteWANGHuai-liang1,2(1.CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,DalianUniversity,Dalian116622,China;2.StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:Basedontheexistingtraditionaltwo-phasemodelofelasticmodulusfortwo-phasecomposites,andconsideringtheinfluenceoftheresidualmortar(RM)inrecycledaggregate,therelationshipsbetweentotalmortarvolume,thevolumefractionofnaturalaggregateandrecycledaggregateandtheaggregatereplacementratiowereanalyzed.Athree-phasemodelforpredictingtheelasticmodulusofRACwasestablished.Experimentalworkfortheelasticmodulusofrecycledaggregateconcreteatdifferentageswascarriedout.ThesuggestedcompositemodelshavebeenappliedtopredicttheelasticmodulusofRAC.Themodelslikelytoyieldthelowestnumberoferrorsweresoughtandsomesuggestionsweremadeaccordingly.Keywords:recycledaggregateconcrete(RAC);compositematerialmodels;age;elasticmodulus