侧伸搅拌厌氧反应器流场的数值模拟

王卫京,陈淑花.2,陈 理,左秀锦

(1.大连大学环境与化学工程学院,辽宁 大连 116622;2.大连理工大学流体与粉体研究所,辽宁 大连 116012)

侧伸搅拌厌氧反应器流场的数值模拟

王卫京1,陈淑花1.2,陈 理1,左秀锦1

(1.大连大学环境与化学工程学院,辽宁 大连 116622;2.大连理工大学流体与粉体研究所,辽宁 大连 116012)

侧伸搅拌厌氧反应器是一常用的厌氧反应器。对侧伸搅拌厌氧反应器进行数值模拟。模拟结果表明,流体在反应器内形成循环流动,反应器内的湍流特性分布并不均匀。

搅拌厌氧反应器数值模拟

1 引言

厌氧反应器广泛应用于各种废水的处理过程中。在进行厌氧反应过程中,为了强化混合,常常需要搅拌,侧伸搅拌是厌氧反应器常用的搅拌方式。在目前工业上进行侧伸搅拌厌氧反应器设计时,大都依赖经验进行,设计效果达不到最优。

近年来,计算流体力学广泛应用于各种不同流场的研究,通过流场的数值模拟不仅可以得到实验手段无法得到的局部信息,而且还能节省研究经费。因此,国内外学者也开始用计算流体力学的方法研究厌氧反应器内的流场结构。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,厌氧反应器的重要操作参数如水力停留时间模拟值和计算值吻合较好[1-2]。在国内,叶群峰[3]对 UASB反应器内单相流动进行了初步数值模拟。王卫京等[4]对UASB反应器内气液两相流动进行了数值模拟,并得出了厌氧反应器内气相和液相的流场。这些研究对厌氧反应器流场进行了探索,但总体上来说,厌氧反应器内流动还未得到充分研究。本文对侧伸搅拌厌氧反应器内流场进行了模拟,研究反应器内的流动规律。

2 流体力学模型

本文采用 Fluent软件进行模拟计算,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:

动量方程为:

3 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 6米,高 8米,用侧伸式斜叶桨搅拌,搅拌桨有三个叶片,直径为 0.6米。搅拌轴水平伸入,伸入长度为 1.5米,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。

图 1 厌氧反应器网格划分

4 模拟结果与讨论

反应器流动的数值模拟结果如图所示。图2是流动轨迹图,图 3是速度矢量图。从图中可以看出,流体在搅拌桨的推动作用下,沿壁面螺旋向上流动,至反应器中心后向下流动,这样使流体在整个反应器内形成循环流动。从速度矢量图中也可以看出,搅拌桨周围流体的速度要远大于反应器内其他部分流体流动的速度,与整个反应器流体速度相差较大。

图 2 厌氧反应器流动轨迹图

图 3 厌氧反应器速度矢量图

图 4和图 5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,在侧进搅拌式厌氧反应器的流场中,湍流特性分布是不均匀的,局部区域的湍动比较剧烈,会有较强的剪切作用。这种情况的对厌氧菌的生长并不十分有利,在设计开发厌氧反应器时应注意这个问题。

图 4 湍动动能 k等值线图

图 5 耗散率ε等值线图

5 结论

本文对侧伸式搅拌厌氧反应器流场进行了数值模拟。模拟结果表明,在搅拌桨的推动作用下,流体在反应器内形成螺旋循环流动。而湍流的特性值 k和ε在反应器内分布并不均匀,存在着局部最大值,说明在局部湍动比较剧烈和剪切力较强,这对厌氧菌的生长不利。

符号说明

[1]MERONEY R N,COLORADO P E.CFDsimulation of mechanical draft tube mixing in anaerobic digester tanks[J].water research,2009(43):1040-1050.

[2]TERASH IMA M,GOEL R,KOMATSU K,et al.CFD simulation of mixing in anaerobic digesters[J].Bioresource Technology,2009(100):2228-2233.

[3]叶群峰.升流式厌氧污泥床(UASB)数值模拟及流态分析[D].郑州大学,2002.

[4]王卫京,左秀锦,朱波.UASB厌氧反应器内流场数值模拟[J].大连大学学报,2007(28):8-10,2007.

[5]LAUNDER B E.SPALD ING D B.ComputMeth ApplMech Engng[M],1974.

Numerical S imulation on the Flow Field in Side-entering Agitated Anaerobic Reactor

WANGWei-jing1,CHEN Shu-hua1,2,CHEN Li1,ZUO Xiu-jin1

(1.College of Environmental and Chemical Engineering,Dalian University,Dalian116622,China;2.R&D Institute of Fluid and Powder Engineering,Dalian University of Technology,116012,China)

Side-entering agitated anaerobic reactor is an anaerobic reactorwhich iswidely used.Numerical simulation on the flow field in the reactor is studied in this paper.Results of the simulation revealed that the that the fluid circulated in the reactor and turbulence propertieswere not not distributed unifor mly.

agitated,anaerobic reactor,numerical s imulation

X703 < class="emphasis_bold">文献标识码:A文章编号:

1008-2395(2010)06-0034-02

2010-04-29

辽宁省教育厅科学技术研究项目资助(2009A068)

王卫京 (1971-),男,副教授,Email:wangweijing@dlu.edu.cn