沼气发酵罐内搅拌混合过程试验及CFD模拟研究

【摘要】：根据可持续发展战略的要求,新能源开发成为必然发展趋势,在可再生能源中,沼气尤其具有发展潜力。沼气发酵是一种能够将污染废弃物变为洁净能源的技术,沼气生产工艺和技术研究的重要性因此受到越来越多的关注。沼气生产工艺过程中,由于发酵菌种需同发酵原料充分接触,沼气产量才会得到保证,于是搅拌在发酵的过程中起到非常重要的作用。以往对沼气搅拌装置的选用都是参考其他工业标准,并没有针对沼气产气特性的配套装置,本研究基于沼气发酵技术长远发展需要,对沼气发酵搅拌装置进行探索性研究。 随着计算技术的快速发展,CFD数值模拟技术在搅拌装置中的应用越来越广泛,沼气发酵原料组成成分复杂,但影响混合搅拌过程的物理特性主要是流变特性及密度,经过研究表明畜禽粪便原料流变特性为假塑性流体,当其浓度低时也可近似于牛顿流体,因此本文将对研究物系设置为固体颗粒—水两相体系,固体浓度为8%,颗粒平均直径设为0.63mm,粘度设为165.99mPa·s,密度ρ=1.2g/cm3。 本文从试验和数值模拟两个角度对沼气搅拌装置进行研究,试验部分通过对无搅拌、二层桨搅拌、三层桨搅拌三种沼气发酵效果进行了对比研究,得出搅拌在沼气发酵过程中起到的作用；通过CFD数值模拟技术模拟出相应搅拌桨搅拌过程的流体流场的分布状况,采用Fluent软件,应用Eulerian-Eulerian两流体理论建立描述搅拌罐内液-固两相流的数学模型,采用标准κ—ε两相湍流模型对体系湍流特性进行描述,用多重参考系法对搅拌罐内液-固两相流的流体动力学特性进行三维全流场数值模拟,然后将计算结果与试验数据相对比,确定数值模拟技术在沼气搅拌装置研究中的可行性,在此基础上对沼气搅拌装置内部结构进行优化,从不同搅拌层搅拌桨和不同离底高度两个方面对搅拌装置进行分析研究。本文的主要研究成果包括： (1)本研究通过对无搅拌、二、三层搅拌桨搅拌三组进行对比试验,结果显示二、三层搅拌桨搅拌装置产气量要比无搅拌都要高出20%以上,试验中三层桨搅拌装置产气效果最好。 (2)通过对试验研究与模拟研究的对比分析,试验产气量对比结果与数值模拟流场分布效果具有一致性,说明应用CFD模拟技术在沼气发酵的原料搅拌过程中具有可行性。 (3)在搅拌桨层及桨叶离底高度对搅拌效果影响研究中,通过对一层桨,二层桨及三层桨搅拌过程中流体速度场的分析,得出三种搅拌桨对搅拌装置内流体流动速度分布都具有影响,不同程度起到均匀混合的目的,三种搅拌桨中三层桨搅拌装置搅拌效果较好,在搅拌装置直径与料液高度均为200mm的情况下,离底高度值为40mm时搅拌效果最佳。 【关键词】：沼气发酵 CFD 搅拌桨 混合
【学位授予单位】：吉林农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S216.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 课题研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外CFD沼气发酵搅拌装置研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 研究内容12-13
• 1.4 研究方法13-14
• 第二章 沼气发酵搅拌装置数学模型建立的数值理论和方法14-23
• 2.1 搅拌装置数值模拟研究方法——CFD14-17
• 2.1.1 CFD技术简介14-15
• 2.1.2 CFD应用于搅拌槽中的研究历史和发展过程15-16
• 2.1.3 CFD模拟研究的一般步骤16-17
• 2.2 搅拌装置数值计算方法及模型建立17-22
• 2.2.1 多相流模型的选用17
• 2.2.2 控制方程的建立17-19
• 2.2.3 湍流模型的选择19-20
• 2.2.4 微分方程的离散及数值计算方法20-21
• 2.2.5 搅拌桨区域处理方法21-22
• 2.3 本章小结22-23
• 第三章 搅拌对沼气发酵影响试验研究及与数值模拟结果对比23-31
• 3.1 试验概述23
• 3.2 试验材料与试验方法23-25
• 3.2.1 试验材料与仪器23-24
• 3.2.2 试验方法24-25
• 3.3 试验结果与讨论25-26
• 3.4 搅拌装置数值模拟研究26-27
• 3.4.1 搅拌装置三维造型26-27
• 3.4.2 计算体系27
• 3.5 试验结果与数值模拟结果对比27-30
• 3.6 本章小结30-31
• 第四章 发酵搅拌装置内搅拌器对流场影响的模拟研究31-50
• 4.1 搅拌桨的选择31-32
• 4.2 不同搅拌桨层的影响32-41
• 4.3 桨叶不同离底高度的影响41-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第五章 结论与展望50-52
• 5.1 结论50
• 5.2 展望50-52
• 参考文献52-56
• 致谢56-57
• 作者简介57

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