大型沼气厌氧池侧进式搅拌流场的数值模拟分析

梁敬福，黄振峰，李欣欣

广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004

大型沼气厌氧池侧进式搅拌流场的数值模拟分析

梁敬福，黄振峰，李欣欣

广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004

为了研究直径和高度均为16 m的大型沼气池內单个侧进式搅拌器的搅拌效果，采用流体力学软件Fluent，以多重参考系法、RNG κ-ε湍流模型及压力-速度耦合SIMPLEC算法，对搅拌流场进行三维数值模拟，并分析了不同的安装角度、离底高度、搅拌转速及搅拌桨叶直径对搅拌功率、有效区百分比和防沉淀效果的影响。研究结果表明，当搅拌转速大于450 r/min和搅拌桨叶直径大于750 mm时，有效区百分比均达到最大值70%；当水平夹角α为30°时，搅拌效果达到最好；垂直夹角β偏向池底和离底高度小于8 m时，有利于防止池底沉淀的产生。

大型沼气池 侧进式 推进式搅拌器 数值模拟

将计算流体力学技术应用于搅拌池的数值模拟进行流体混合搅拌的优化设计已经是一项较为成熟的研究，但对侧进式搅拌器的研究相对比较少[1-3]。Wesselingh[4]对不同尺寸的单个侧进式搅拌器下搅拌槽内的混合时间进行了实验研究，模拟分析了桨型、推进桨偏角、雷诺数等不同条件下的流场和混合时间，模拟结果与实验测量结果吻合。Asghar等[5]采用RNG湍流模型对混有两类原油的贮罐在单个侧进式搅拌不同因素下对混合时间的影响。方健等[6,7]对具有4台侧进式搅拌器运行下搅拌槽内的流体流动特征、混合过程进行了数值模拟，计算了不同雷诺数下此类搅拌器的功率准数，并得到了功率曲线，而且研究了不同的示踪剂加料点、监测点位置、搅拌轴偏转角对混合时间的影响规律。张林进等[8]对烟气脱硫吸收塔底部浆液池的侧进式搅拌流场进行了数值模拟，研究了搅拌转速和搅拌桨安装角度等因素对三维流场的影响规律。郑晓东等[9]针对侧伸式搅拌槽，研究了搅拌桨安装位置、通气速率、固体颗粒浓度和液位高度对侧伸式搅拌槽颗粒悬浮性能的影响。陈佳等[10]采用计算流体力学技术对直径和高度均为13 m的大型侧进式搅拌釜内均相宏观流场进行数值计算，考察了不同搅拌转速、搅拌桨安装角度及个数对釜内低速死区分布的影响。由于对单个搅拌器情况下的大型搅拌池的研究还不够系统性，有些企业仍依赖以往的经验对大型搅拌池的侧进式搅拌器进行安装和运行，在实际运行中不紧搅拌功耗大，而且搅拌效果也往往不尽理想。

本研究针对单个侧进式搅拌器作用下的沼气反应池模型，使用Fluent软件对搅拌流场进行三维数值模拟，分析讨论搅拌转速、直径和安装水平夹角、垂直夹角、离底高度五个因素分别对搅拌功率、有效区百分比、搅拌流场和防沉淀效果的影响，以期为侧进式搅拌器的优化设计、工程实际应用提供参考依据。计算[12]。由数值模拟得到搅拌器在旋转切向速度方向的扭矩值，带入旋转系统的功率计算公式，得到搅拌功率。计算公式如式（5）所示。

式中，M为扭矩，N·m；ω为角速度，rad/s；n为转速，r/min。

表1所示不同条件下的模拟结果如图4所示。由图4（1#）可知，随着水平夹角增大，搅拌功率小幅度地逐渐减小；随着垂直夹角的变化，搅拌功率并不随之有规律的变化，只是在10 kW左右有小幅度的上下波动(2#)；离底高度对搅拌功率的影响很小，都在10 kW左右小幅波动(3#)；4#和5#的模拟结果表明，随着搅拌转速和搅拌桨叶直径的增大，搅拌功率都是以抛物线的形式快速增大。

图4 搅拌功率曲线Fig.4 Stirring power curve

2.2 有效区百分比的分析

水流保持大于等于0.3 m/s的区域被称为水体推流搅拌的工作有效区域[13]。本工作以池内流体流速不小于0.3 m/s的区域设定为有效搅拌区，即能有效搅拌混合并防止沉淀产生的区域，有效搅拌区所占整个池内液体的百分比设定为有搅拌区域百分比，简称有效区百分比。有效区百分比越大说明搅拌效果越好。（effective zone）

图5所示为不同条件下的模拟得到的有效区变化曲线。从图5（1#）可知，随着水平夹角的增大，有效区百分比先增大然后减小，在水平夹角30 °时有效区百分比最大；随着垂直夹角从-40 °变化到40 °，有效区百分比整体趋势是先增大后减小，在-20 °时有效区百分比为最大（2#）；而（3#）结果表明，搅拌桨离底高度为6 m时搅拌效果最好；搅拌转速的增大有利于有效区的增大，转速达到400 r/min时趋于平稳（4#）；在相同转速下，搅拌桨直径增大意味搅拌功率增大，有利于增大有效区百分比，直径750 mm时达到最大值并趋于平稳（5#）。因此，在本研究的厌氧池尺寸条件下，水平夹角10～40 °、垂直夹角-30～0 °，离底高度2～8 m，搅拌转速大于400 r/min，搅拌桨叶直径大于750 mm时，有效区百分比值比较大，搅拌效果比较好。vesseds[J]. Chem Eng Sci, 2001, 56(12):3751-3770.

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[13] CJ/T 109-2007, 潜水搅拌机 [S].

Numerical Simulation of Side Inlet Mixing Flow Field in Large Scale Biogas Tank

Liang Jingfu, Huang Zhenfeng, Li Xinxin
School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China

In order to study the stirring effects of a single side agitator in the large biogas digester with a diameter and height of 16 m, the fluid dynamics software Fluent was used to conduct the three-dimensional simulation of the stirred flow field with the multiple reference system, RNG κ-ε turbulence model and pressure velocity coupled SIMPLEC algorithm. The influence of different installation angles, bottom height, stirring speed and stirring diameter on the stirring power, the percentage of effective area and the anti-precipitation effects were analyzed. The results showed that when the stirring speed was greater than 450 r/min and the stirring diameter was more than 750 mm, the effective area percentage reached the maximum value of 70%. When the horizontal angle was 30 °, the stirring effect appeared to be the best. When the vertical angle was inclined to the bottom of the biogas digester and the height from the bottom was less than 8 m, it was conducive to prevent the precipitation on the bottom of the biogas digester.

large methane tank; side inlet; propeller agitator; numerical simulation

TQ051.7

A

1001—7631 ( 2017 ) 01—0082—08

10.11730/j.issn.1001-7631.2017.01.0082.08

2016-11-24;

2017-02-04。

梁敬福（1989—），男，硕士研究生；黄振峰（1963—），男，教授，通讯联系人。E-mail:1806670693@qq.com。

广西大学横向课题（BB30100005）。