一种优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法技术

本发明专利技术的目的在于提供一种优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，建立一个与反应器结构所匹配的流体体系的光生物反应器流场的瞬态CFD模型，具体步骤为：研究对象选取；几何建模与进行网格划分；建立基于气泡流的两相流瞬态CFD模型；光生物反应器内部混合状态的流体力学参数能够直接反映出藻液和废水的混合情况以及微藻细胞光合作用的情况，尤其是在光照方向混合的流体力学参数。耦合粒子追踪模块对微藻细胞在反应器中的粒子轨迹进行计算，从而建立起能够预测光生物反应器中液体混合情况以及藻细胞的光照情况的模型，为反应器的优化设计和操作条件奠定理论基础。应器的优化设计和操作条件奠定理论基础。应器的优化设计和操作条件奠定理论基础。

【技术实现步骤摘要】
一种优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法


[0001]本专利技术涉及反应器结构的优化和设计的
，尤其设计一种优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法。

技术介绍

[0002]随着全球变暖的问题日益严重，现在农业、工业进步导致的二氧化碳等温室气体的排放对人类社会产生的影响愈专利技术显，碳中和已经成为国际上广泛关注的问题。微藻作为一种清洁、可再生的新生物能源，不仅分布广泛数量庞大，而且能够利用二氧化碳进行光合作用，具有缓解环境压力的良好表现。利用微藻进行废水处理有着绿色无二次污染、减少二氧化碳以及能产生经济价值副产物的种种优点，因此，优化用于污水处理的微藻光生物反应器对微藻工程化应用有着重要的意义。
[0003]微藻光生物反应器有开放式和封闭式两种，对于光生物反应器来说，反应器内部的混合和微藻的光照是影响微藻生长的重要因素。光生物反应器内部混合状态的流体力学参数能够直接反映出藻液和废水的混合情况以及微藻细胞光合作用的情况，尤其是在光照方向混合的流体力学参数。因此，对光生物反应器内部的流态进行模拟，通过计算相关流体力学参数得到不同运行条件下微藻光生物反应器中详细的信息，进而对反应器进行优化改进以选定更佳的运行条件。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，基于流体力学方法，模拟反应器中废水的流态进而为提高反应器性能的优化提供指导方案。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：r/>[0006]本专利技术提出的一种优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，建立一个与反应器结构所匹配的流体体系的光生物反应器流场的瞬态CFD(计算流体力学)模型，包括如下步骤：(1)
[0007]研究对象选取：选取跑道池式微藻光生物反应器，所述反应器由跑道池主体、挡板和底部的曝气装置组成；(2)几何建模与进行网格划分：采用CFD模拟软件几何建模与进行网格划分，其中，CFD模拟软件为商业软件COMSOL Multiphysics 6.0，在此软件内部进行几何模型的建立和网格自动划分；(3)建立瞬态CFD模型，瞬态CFD模型为基于气泡流的两相流的瞬态CFD模型；设置液相为水，气相为空气。设置此二维模型的边界入口和出口，其中液相入口速度为0.5m/s，气体通气率为0.2、0.4、0.6、0.7、0.8、1vvm。反应器顶部为气体出口。模型收敛后计算得出如图2的参数数据。计算出气泡流模型后，耦合粒子追踪模型，设置50粒子在反应器内部随机位置释放，赋予气泡流模型中流体的速度场为初始速度，模型收敛后得到粒子轨迹数据，图3为其中一个粒子轨迹图，经过光衰减模型的计算和数据处理，得到如图4的光照数据。基于上述步骤为反应器的优化设计和操作条件提供理论基础。
[0008]本专利技术的优点是：本专利技术提出的一种基于CFD的微藻光生物反应器的优化设计方法，其优势在于：借助CFD的模型，能够在计算机上对不同结构、不同尺寸、不同操作条件下的反应器流场进行模拟计算，分析出最佳结构和最佳操作条件。这大大节省了工程应用中的时间和成本，避免了不必要的损失，为提高反应器性能的优化提供指导方案。
附图说明
[0009]图1为跑道池式光生物反应器的结构图；
[0010]图2为流体力学参数数据图；
[0011]图3为粒子轨迹图；
[0012]图4为计算光照数据图；
[0013]图中：1是液相入口，2是液相出口，3是底部曝气设备，4是挡板，5跑道池主体。
具体实施方式
[0014]以下结合附图通过实施例对本专利技术特征及其他相关特征做进一步的详细说明，以便于同领域技术人员的理解：
[0015]如图1
‑
4所示，本实施例中优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，跑道池式光生物反应器是一种简单，开放式的微藻反应器，在此实施例中我们探究曝气设备的最佳通气条件。
[0016]本实施例中的优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，其特征在于：建立一个与反应器结构所匹配的流体体系的光生物反应器流场的瞬态CFD(计算流体力学)模型，具体步骤如下：
[0017](1)研究对象选取：选取跑道池式微藻光生物反应器，所述反应器由跑道池主体、挡板和底部的曝气装置组成；
[0018](2)几何建模与进行网格划分：采用CFD模拟软件进行几何建模与进行网格划分，其中，所述CFD模拟软件采用商业软件COMSOL Multiphysics 6.0，在此软件内部进行几何模型的建立和网格自动划分；
[0019](3)建立瞬态CFD模型：瞬态CFD模型为基于气泡流的两相流的瞬态CFD模型。
[0020]所述步骤(3)中，基于气泡流的两相流的瞬态CFD模型建立包括以下步骤：
[0021](3.1)模型假设：假设反应器中的藻液浓度均匀分布，反应器中存在两相，设置液相为水，气相为空气，由于微藻体系小，近似将液相作为微藻与废水的混合相；
[0022](3.2)气泡流计算
[0023]气泡流模型为简化的欧拉
‑
欧拉两相流模型，在反应器中，气相为分散相，液相为连续相。其质量守恒方程为：
[0024][0025]动量守恒方程为：
[0026][0027]式中：下标i——液相或空气；
[0028]下标j——x，y，z三个方向；
[0029]t——时间，s；
[0030]a——体积分数；
[0031]F
i
——微元体内相间作用力，N/m3；
[0032]u——流速，m/s；
[0033]ρ——密度，kg/m3；
[0034]P——压强，pa；
[0035]τ——粘性应力张量，pa；
[0036]g——重力加速度，m/s2。
[0037]此模型中相间作用力只考虑曳力，表达式为：
[0038][0039]式中：下标g——气相；
[0040]下标l——液相；
[0041]d
g
——气泡的直径，m；
[0042]C
D
——曳力系数。
[0043]采用Schiller
‑
Naumann曳力模型，即：
[0044][0045]式中：Re——雷诺数
[0046]标准kε湍流模型用于表征反应器中的湍流运动，其湍流动能及湍流耗散方程的具体形式为：
[0047]k输送方程：
[0048][0049]ε输送方程：
[0050][0051]式中：G
k
——平均速度梯度所产生的湍动能，m2/s2；
[0052]G
b
——浮力所产生的湍动能，m2/s2；
[0053]σ
k
和σ
ε
——k和ε的普朗特准数1.0、1.3；
[0054]μ——粘性系数；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，其特征在于：建立一个与反应器结构所匹配的流体体系的光生物反应器流场的瞬态CFD模型，具体步骤如下：(1)研究对象选取；(2)几何建模与进行网格划分；(3)建立基于气泡流的两相流瞬态CFD模型；步骤(3)中，建立基于气泡流的两相流瞬态CFD模型，包括如下步骤：(3.1)模型假设；(3.2)气泡流计算；(3.3)确定初始和边界方程；(3.4)气泡流模型求解；(3.5)耦合粒子追踪模型；(3.6)及模型结果分析。2.根据权利要求1所述的优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，其特征在于：步骤(1)中，选取跑道池式微藻光生物反应器，反应器包括跑道池主体、挡板和底部的曝气装置；步骤(3.6)中，计算反应器在不同结构及不同操作条件下的湍流动能、光照径向速度、死区比例以及水剪应力,采用Lambert
‑
Beer光衰减模型计算出反应器中光暗区域的边界，Lambert
‑
Beer光衰减模型方程式为：Beer光衰减模型方程式为：式中：K
a
——光吸收系数；I0——入射光强度；X——微生物浓度；b——水的衰减系数L——光程：水折射率x路程；根据粒子轨迹中光照方向上的位置数据分析微藻细胞在光时间和暗时间的运动情况。3.根据权利要求1所述的优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，其特征在于：步骤(2)中，采用CFD模拟软件进行几何建模与进行网格划分，其中，所述CFD模拟软件采用商业软件COMSOL Multiphysics 6.0。4.根据权利要求3所述的优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，其特征在于：网格划分时，边界层采用更加细化的网格。5.根据权利要求1所述的优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法，其特征在于，气泡流模型为简化的欧拉
‑
欧拉两相流模型，在反应器中，气相为分散相，液相为连续相。6.根据权利要求5所述的优化微藻光生物反应器内部流场和光照情况的方法简化的欧拉
‑
欧拉两相流模型，其质量守恒方程为：动量守恒方程为：
式中：下标i——液相或空气；下标j——x，y，z三个方向；t——时间，s；a——体积分数；Fi——微元体内相间作用力，N/m3；u——流速，m/s...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈后兴，刘苑琪，徐传航，邱根萍，杨利明，董乔红，刘卓超，吉康宁，罗旭彪，杨鸿玲，熊贞晟，肖建林，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：