諸發(fā)超，黃建科，陳劍佩，李元廣

（1華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

研究開(kāi)發(fā)

敞開(kāi)式跑道池光生物反應(yīng)器的CFD模擬與優(yōu)化

諸發(fā)超1，黃建科2，陳劍佩1，李元廣2

（1華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2華東理工大學(xué)生物反應(yīng)器工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

采用 CFD技術(shù)對(duì)敞開(kāi)式跑道池光生物反應(yīng)器流場(chǎng)進(jìn)行了研究，考察了導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)、跑道池底部進(jìn)氣孔長(zhǎng)度和寬度方向間距對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)內(nèi)外導(dǎo)流板均為180°、導(dǎo)流板延伸長(zhǎng)度ΔL/W為0.5時(shí)，跑道池平均速率最大，死區(qū)比例最小，功率輸入最少；當(dāng)寬度方向間距ΔY/W1為1/4、長(zhǎng)度方向間距ΔX/L1為0.025時(shí)，平均光照方向速率最大。采用粒子追蹤模型，分別計(jì)算不通氣與通氣情況下粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析得到藻細(xì)胞的光照強(qiáng)度、光暗交替頻率。

微藻能源；敞開(kāi)式跑道池；計(jì)算流體力學(xué)；粒子追蹤模型

石油資源日益減少且價(jià)格逐漸上漲，全球環(huán)境污染和氣候變化現(xiàn)象日益凸顯，上述問(wèn)題已成為制約世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸，因此節(jié)能減排與低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展迫在眉睫。生物燃料具有環(huán)境友好和碳中性等特點(diǎn)，已經(jīng)成為全球發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的環(huán)保型可再生能源。微藻具有生長(zhǎng)快、光合效率高、油脂含量高及可高效固定CO2等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是生產(chǎn)生物燃料最具前景的原料之一[1]。然而，藻體原料不足是微藻生物柴油大規(guī)模發(fā)展遇到的主要的瓶頸之一[2]。因此，微藻的培養(yǎng)效率直接影響到微藻能源產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的前景。

敞開(kāi)式光生物反應(yīng)器是目前國(guó)內(nèi)外微藻大規(guī)模培養(yǎng)中應(yīng)用最多的培養(yǎng)系統(tǒng)，主要是敞開(kāi)式跑道池。雖然敞開(kāi)式跑道池存在培養(yǎng)效率低及易受污染等問(wèn)題，但從目前而言，其造價(jià)便宜，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，且易于放大[3]，適合于大規(guī)模、低成本藻體的生產(chǎn)，例如能源微藻[4]。敞開(kāi)式跑道池于20世紀(jì)60年代開(kāi)始應(yīng)用至今，主體結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有變化，最近幾十年國(guó)內(nèi)外對(duì)其所開(kāi)展的研究工作非常少[5-6]。

為提高敞開(kāi)式跑道池中微藻，特別是能源微藻的培養(yǎng)效率，亟須對(duì)敞開(kāi)式跑道池進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化工作。計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（CFD）是近年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一種低耗時(shí)、低成本及高效率的反應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化與放大方法，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類化工反應(yīng)器及生物反應(yīng)器的研究[7-8]。CFD技術(shù)也已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于光生物反應(yīng)器的研究，且正在逐漸成為今后光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究的最具潛力的方法，但目前的研究基本上針對(duì)封閉式光生物反應(yīng)器。例如，Pruvost等[9]運(yùn)用CFD方法對(duì)圓環(huán)結(jié)構(gòu)的光生物反應(yīng)器內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)及混合狀況進(jìn)行了研究，并采用PIV技術(shù)對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；Wu等[10]研究了系列螺旋管式光生物反應(yīng)器內(nèi)的混合狀況和藻細(xì)胞的受光歷程。然而，應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)敞開(kāi)式跑道池的研究目前幾乎未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

基于上述情況，本文作者對(duì)敞開(kāi)式跑道池開(kāi)展了流場(chǎng)模擬以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。在跑道池底部通氣，以強(qiáng)化光照方向的混合，并結(jié)合粒子追蹤模型，模擬藻細(xì)胞在跑道池中的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析得到藻細(xì)胞的光照強(qiáng)度、光暗交替頻率等特征參數(shù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 跑道池幾何結(jié)構(gòu)

本工作以長(zhǎng)L為11.2 m（水平流道長(zhǎng)度L1為10 m）、寬W為2 m（單側(cè)流道寬W1為0.9 m）、高H為0.4 m的跑道池作為研究對(duì)象，實(shí)際操作液位為 0.2 m。在跑道池兩側(cè)各安裝一個(gè)蹼輪，轉(zhuǎn)速為10 r/min，蹼輪由8個(gè)槳葉組成，槳葉長(zhǎng)0.8 m，寬為0.39 m。在跑道池彎頭處加入內(nèi)外導(dǎo)流板，內(nèi)導(dǎo)流板R1/W為0.1，外導(dǎo)流板R2/W為0.3，見(jiàn)圖1。

1.2 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程

添加“質(zhì)量源”后，方程（1）變?yōu)?/p>

假設(shè)流體不可壓縮，方程（1）可簡(jiǎn)化為

動(dòng)量方程

方程（4）為湍流運(yùn)動(dòng)的時(shí)均方程，與 N-S方程相比，時(shí)均方程增加了脈動(dòng)流速的3個(gè)相關(guān)項(xiàng)，即雷諾應(yīng)力。雷諾應(yīng)力項(xiàng)代表湍流脈動(dòng)對(duì)時(shí)均流動(dòng)的影響。由于引入雷諾應(yīng)力，方程不封閉，因此必須引入其它方程使其封閉。

以標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型使方程組閉合。標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型在工程上有廣泛的應(yīng)用，它具有數(shù)值計(jì)算結(jié)果、收斂速率快等特點(diǎn)。

湍流動(dòng)能方程（k方程）

其中參數(shù)cε1、cε2、cμ、εσ及k為常數(shù)，分別取 1.44、1.92、0.09、1.3、1.0[11]。

1.3 計(jì)算方法

采用商用軟件ANSYS ICEM 12.0對(duì)跑道池進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，選用網(wǎng)格數(shù)量為 409976。采用 ANSYS CFX 12.0軟件求解跑道池內(nèi)流體的連續(xù)性方程及動(dòng)量方程。

由于綠藻與藍(lán)綠藻的培養(yǎng)液黏度在 0.9～1.2 mPa·s，密度 1000～1030 kg/m3，藻液性質(zhì)與水相似。因此可用水代替真實(shí)藻液來(lái)研究跑道池流場(chǎng)[12]。

跑道池分為動(dòng)區(qū)和靜區(qū)，含有蹼輪的區(qū)域?yàn)閯?dòng)區(qū)，其余部分為靜區(qū)，動(dòng)靜區(qū)采用滑移網(wǎng)格法處理，用Transient Rotor-Stator方法進(jìn)行耦合連接。近壁的層流區(qū)域采用Scalable壁面函數(shù)法處理，跑道池頂部采用 “Opening”邊界，即允許氣、液體自由進(jìn)出。運(yùn)用Step函數(shù)定義初始液位在0.2 m處。采用Free Surface Model模擬自由液面的波動(dòng)。跑道池底部通氣情況下，當(dāng)網(wǎng)格位于進(jìn)氣孔位置時(shí)，則在連續(xù)性方程中添加質(zhì)量源。

以之前的計(jì)算結(jié)果作為初值，采用 CFX中的 PTM模型分別模擬藻細(xì)胞在跑道池光生物反應(yīng)器中通氣與不通氣情況下的運(yùn)動(dòng)軌跡。流固相采用Fully Coupled雙向耦合，這樣流場(chǎng)可以影響粒子運(yùn)動(dòng)，粒子也可以對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響。粒子直徑設(shè)為80 μm，注入位置見(jiàn)圖2，主要考察跑道池水平流道內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)情況，追蹤粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 15 s。

采用非穩(wěn)態(tài)求解模式，k- 模型計(jì)算時(shí)每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)取120步，每步內(nèi)所有殘差均小于10-4，計(jì)算過(guò)程中監(jiān)測(cè)蹼輪扭矩和若干點(diǎn)的速率分量。待監(jiān)測(cè)量平衡后，可認(rèn)為計(jì)算收斂。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 跑道池中導(dǎo)流板的優(yōu)化

導(dǎo)流板的角度與延伸長(zhǎng)度的改變可以減小流動(dòng)的阻力損失，調(diào)節(jié)水流的速率分布，減少藻類的沉積。

2.1.1 導(dǎo)流板角度的優(yōu)化

在液位0.2 m、蹼輪轉(zhuǎn)速為10 r/min跑道池中分別計(jì)算無(wú)導(dǎo)流板，外導(dǎo)流板為 120°、150°、180°（內(nèi)導(dǎo)流板均為180°）。

（1）平均速率的比較 流體在跑道池沿逆時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)。如圖3所示，未添加導(dǎo)流板時(shí)，跑道池內(nèi)壁附近速率較大，而外壁及彎頭處速率較小，添加了導(dǎo)流板后能夠使流體保持一定的流速平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎，在跑道池中形成高速循環(huán)區(qū)域，同時(shí)比較了外導(dǎo)流板 120°、150°、180°3 種不同的導(dǎo)流板類型。當(dāng)外導(dǎo)流板角度為 180°時(shí)，高速循環(huán)區(qū)域范圍最大。從表1看出，添加內(nèi)外180°導(dǎo)流板時(shí)平均速率比未添加導(dǎo)流板提高了11%，即導(dǎo)流板的加入有效地降低了跑道池彎頭處的阻力。

（2）死區(qū)比例的比較 在實(shí)際培養(yǎng)時(shí)如果藻液流速過(guò)低，容易造成藻體的堆積，形成死區(qū)。故定義流速低于0.05 m/s流體的體積占跑道池總體積的比例即為死區(qū)比例。

如圖4所示，在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，未添加導(dǎo)流板時(shí)，流體在慣性力、離心力作用下沿內(nèi)壁向外壁底層擴(kuò)散，越靠外壁流速越低而越靠?jī)?nèi)壁流速越高，易在彎頭外壁形成停滯區(qū)，在彎道處及跑道池外側(cè)存在較大的死區(qū)，計(jì)算表明添加導(dǎo)流板后死區(qū)明顯減小。從表2看出，外導(dǎo)流板為180°時(shí)，死區(qū)比例僅為無(wú)導(dǎo)流板時(shí)死區(qū)比例的7.8%。

（3）功率消耗比較 添加導(dǎo)流板能夠使水流平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎，減小沖擊彎道壁面而產(chǎn)生的能量損失，有效地降低流動(dòng)中的阻力，減小蹼輪的輸入功率。從表3看出，外導(dǎo)流板為180°時(shí)蹼輪功率分別為未添加導(dǎo)流板蹼輪功率的52%。

通過(guò)平均速率、死區(qū)比例、功率消耗的對(duì)比，當(dāng)內(nèi)外導(dǎo)流板角度均為180°時(shí)較優(yōu)。

2.1.2 導(dǎo)流板延伸長(zhǎng)度的優(yōu)化

由于內(nèi)導(dǎo)流板半徑較小，延伸后反而對(duì)流體有阻礙作用，僅延長(zhǎng)外導(dǎo)流板上游長(zhǎng)度。分別比較延伸長(zhǎng)度ΔL/W分別為0、0.25、0.5、0.75時(shí)的跑道池流場(chǎng)。

（1）平均速率的比較 由圖5、表4可以看出，外導(dǎo)流板上游延伸后，跑道池內(nèi)平均流速有所增大，但ΔL/W＞0.5時(shí)，平均速率保持不變。ΔL/W為0.5、0.75時(shí)，平均速率較無(wú)導(dǎo)流板提高了13.8%。

（2）死區(qū)比例的比較 由圖6所示，死區(qū)主要仍集中在跑道池彎道處，外導(dǎo)流板來(lái)流一側(cè)延長(zhǎng)，使彎道外側(cè)與外導(dǎo)流板之間區(qū)域流速變大，死區(qū)比例減小。ΔL/W=0.5、0.75時(shí)，死區(qū)范圍變化已經(jīng)不大。ΔL/W為0.5、0.75時(shí)，死區(qū)比例為無(wú)導(dǎo)流板時(shí)的4.6%、3.9%，見(jiàn)表5。

表1 不同導(dǎo)流板角度條件下平均速率比較

表2 不同導(dǎo)流板角度條件下死區(qū)比例的比較

表3 不同導(dǎo)流板角度條件下功率消耗的比較

圖1 跑道池與蹼輪尺寸（單位：mm）

圖2 PTM中粒子注入位置

圖3 無(wú)導(dǎo)流板，外導(dǎo)流板為120°、150°、180°時(shí)0.2m液位處xy平面速率云圖

（3）功率消耗比較 如表6所示，外導(dǎo)流板來(lái)流一側(cè)延伸后，功率消耗先減小，但ΔL/W =0.75時(shí)，由于外導(dǎo)流板過(guò)長(zhǎng)阻礙流體流動(dòng)，功率反而增大。ΔL/W為0.5時(shí)，蹼輪功率僅為無(wú)導(dǎo)流板時(shí)的49%。

圖4 無(wú)導(dǎo)流板，外導(dǎo)流板為120°、150°、180°時(shí)跑道池死區(qū)位置

圖5 延伸長(zhǎng)度ΔL/W為0、0.25、0.5、0.75時(shí)0.2m液位處xy平面速率云圖

表4 不同ΔL/W下平均速率比較

表5 不同ΔL/W下死區(qū)比例的比較

表6 不同ΔL/W下功率消耗的比較

表7 不同寬度方向間距的操作參數(shù)

綜合考慮平均速率、死區(qū)比例和功率消耗，確定當(dāng)導(dǎo)流板延伸長(zhǎng)度ΔL/W為0.5，水流流態(tài)較優(yōu)。

2.2 跑道池底部通氣的優(yōu)化

跑道池光生物反應(yīng)器經(jīng)常從底部通入 CO2混合氣，這樣一方面可以通過(guò)氣液傳質(zhì)提供光合作用所需的碳源[13]，另一方面可以形成反應(yīng)器內(nèi)液相的循環(huán)流動(dòng)以增進(jìn)光照方向混合[14]。本工作在上文導(dǎo)流板優(yōu)化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過(guò)在跑道池底部（兩側(cè)水平流道部分）設(shè)置進(jìn)氣孔，通氣量為1 vvm，并優(yōu)化進(jìn)氣孔布置，以增強(qiáng)光照方向的混合。

2.2.1 進(jìn)氣孔寬度方向間距的優(yōu)化

先假定進(jìn)氣孔長(zhǎng)度方向間距Δx/L1為 0.05，優(yōu)化寬度方向間距，分別計(jì)算進(jìn)氣孔寬度方向間距Δy/W1為 1/2、1/3、1/4、1/5（即寬度方向通氣個(gè)數(shù)為1、2、3、4）時(shí)，跑道池流場(chǎng)情況。表7為具體的操作參數(shù)。

由圖7可以看出，氣體進(jìn)入跑道池后，高速對(duì)液體沖擊作用明顯，將進(jìn)氣孔上方的液體迅速排出，形成氣柱。隨著進(jìn)氣孔個(gè)數(shù)的增加，速率逐漸減小，沖擊也隨之減弱。

圖7 進(jìn)氣孔寬度方向間距Δy/W1為1/2、1/3、1/4、1/5時(shí)液面波動(dòng)情況

圖8 進(jìn)氣孔寬度方向間距Δy/W1為1/2、1/3、1/4、1/5時(shí)yz平面速度矢量圖

圖9 進(jìn)氣孔寬度方向間距Δy/W1為1/2、1/3、1/4、1/5時(shí)0.1m液位處xy平面光照方向速率云圖

圖10 進(jìn)氣孔長(zhǎng)度方向間距Δx/L1為0.1、0.05、0.03、0.025時(shí)0.1m液位處xy平面光照方向速率云圖

圖11 不通氣(a)與通氣(b、c)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡

表8 不同寬度方向間距時(shí)平均光照方向速率比較

表9 不同長(zhǎng)度方向間距的操作參數(shù)

表10 不同長(zhǎng)度方向間距時(shí)平均光照方向速率比較

圖8為yz平面的液體速度矢量圖，可以看出不同進(jìn)氣孔布置情況時(shí)，在高速氣流的沖擊下，均能形成以進(jìn)氣孔為中心的光照方向的混合循環(huán)，這種循環(huán)既可避免靠近液面的藻細(xì)胞因光強(qiáng)過(guò)高而受到生長(zhǎng)抑制，同時(shí)避免靠近池底部的藻細(xì)胞因光強(qiáng)不足而受到生長(zhǎng)限制。

為了定量衡量通氣對(duì)跑道池光照方向的混合，本工作提出一種新的參數(shù)——光照方向速率，作為定量衡量的指標(biāo)。

圖9為0.1 m液位高度xy平面光照方向速率云圖，可以看出隨著進(jìn)氣孔的增加，光照方向速率逐漸增大，分布趨于合理。寬度方向間距為1/4、1/5時(shí)，差異已不明顯。

在跑道池反應(yīng)器內(nèi)對(duì)光照方向速率大小求體積平均，表8即為不同通氣量下平均光照方向速率的比較?？梢钥闯?，寬度方向間距Δy/W1為1/4時(shí)，平均光照方向速率最大，較為不通氣時(shí)增加了4.18倍。

2.2.2 進(jìn)氣孔長(zhǎng)度方向間距的優(yōu)化

跑道池內(nèi)進(jìn)氣孔寬度方向間距Δy/W1為1/4時(shí)，對(duì)進(jìn)氣孔長(zhǎng)度方向間距進(jìn)行優(yōu)化。分別計(jì)算進(jìn)氣孔長(zhǎng)度方向間距Δx/L1為0.1、0.05、0.03、0.025時(shí)的流場(chǎng)情況，見(jiàn)圖10。表9為具體操作條件。

如圖10所示，當(dāng)間距較大時(shí)，氣速較高，氣柱影響的范圍較大，高速氣體迅速卷起液體形成循環(huán)。當(dāng)間距較小時(shí)，進(jìn)氣孔分布較為均勻，但氣速較低，則其作用范圍較小。由表10看出，整體上長(zhǎng)度方向間距的變化對(duì)平均光照方向速率影響不是很大。當(dāng)長(zhǎng)度方向間距Δx/L1由0.03變?yōu)?.025時(shí)，平均光照方向速率變化已很小，因此長(zhǎng)度方向間距Δx/L1取0.025較為合理。此時(shí)平均光照方向速率為不通氣時(shí)的5.36倍。

2.3 藻細(xì)胞受光歷程的分析

分別計(jì)算跑道池中不通氣與通氣（內(nèi)外導(dǎo)流板均為180°、導(dǎo)流板延伸長(zhǎng)度ΔL/W為0.5、底部進(jìn)氣孔寬度方向間距Δy/W1為 1/4、長(zhǎng)度方向間距Δx/L1為0.025）時(shí)藻細(xì)胞運(yùn)動(dòng)軌跡，見(jiàn)圖11，不通氣時(shí)，粒子在跑道池中水平運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有光暗區(qū)之間的交換。通氣之后，粒子呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)，往返于光暗區(qū)之間，混合較好。

圖 12為單個(gè)藻細(xì)胞在跑道池中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間 t與光照方向位置z的關(guān)系。不通氣時(shí)，藻細(xì)胞約在0.1 m高度呈水平運(yùn)動(dòng)。通氣后，光照方向位置 z隨著時(shí)間t呈近似的正弦波變化。藻細(xì)胞在0.1 m液位高度以上受光較好，將其作為光區(qū)；0.1 m以下作為暗區(qū)，則通氣時(shí)藻細(xì)胞在光區(qū)停留時(shí)間為6.9 s，占總時(shí)間的40.6%。藻細(xì)胞在光區(qū)停留時(shí)間占總循環(huán)時(shí)間的比例提高，可提高藻細(xì)胞受光照的時(shí)間，從而提高藻細(xì)胞的生長(zhǎng)。

假設(shè)陽(yáng)光垂直液面射入水中，根據(jù)Lambert-Beer定律，則光照強(qiáng)度只與光照方向位置有關(guān)。本工作采用于剛[15]在球等鞭金藻 3011培養(yǎng)液得到的光衰減關(guān)系式，見(jiàn)式（10）。

式中，d0為光程；E為藻細(xì)胞濃度，為200×104cell/m L；I0為入射光強(qiáng)，為10 000 lx。由圖13可看出，不通氣時(shí)光照強(qiáng)度約為2500 lx；通氣后，光照強(qiáng)度I隨時(shí)間t呈正弦波變化。光強(qiáng)最小值約為500 lx，最大值約為9000 lx。

利用Origin中FFT變換，把藻細(xì)胞運(yùn)動(dòng)位置與運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為振幅與光暗交替頻率的關(guān)系，見(jiàn)圖14。不通氣時(shí)，光暗交替頻率約為0，通氣后，在0.2 Hz處存在一波峰，光暗交替頻率即為0.2 Hz。光暗循環(huán)頻率對(duì)微藻的生長(zhǎng)影響很大，藻細(xì)胞在高頻率的光暗循環(huán)條件下，可以顯著提高藻細(xì)胞的比生長(zhǎng)和光合效率。

圖12 不通氣與通氣時(shí)光照方向位置與粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)間關(guān)系圖

圖13 不通氣與通氣時(shí)光照強(qiáng)度與粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系

圖14 FFT變換后粒子運(yùn)動(dòng)振幅與光暗交替頻率關(guān)系

3 結(jié) 論

采用CFD技術(shù)對(duì)敞開(kāi)式跑道池流場(chǎng)進(jìn)行研究，考察了導(dǎo)流板角度、導(dǎo)流板延伸長(zhǎng)度、跑道池底部進(jìn)氣孔長(zhǎng)、寬度方向間距對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

（1）當(dāng)內(nèi)外導(dǎo)流板均為 180°、導(dǎo)流板延伸長(zhǎng)度ΔL/W為0.5時(shí)，跑道池平均速率最大，死區(qū)比例最小，功率輸入最少。平均速率較無(wú)導(dǎo)流板時(shí)提高了13.8%，死區(qū)比例為無(wú)導(dǎo)流板時(shí)的4.6%，蹼輪功率僅為無(wú)導(dǎo)流板時(shí)的49%。

（2）當(dāng)進(jìn)氣孔寬度方向間距Δy/W1為1/4、長(zhǎng)度方向間距Δx/L1為0.025時(shí)，平均光照方向速率最大，為不通氣時(shí)的5.36倍。

（3）采用粒子追蹤模型，分別計(jì)算了不通氣與通氣情況下粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，分析得到不通氣時(shí)藻細(xì)胞的光照強(qiáng)度近似不變，通氣時(shí)藻細(xì)胞的光照強(qiáng)度隨時(shí)間呈正弦變化；不通氣時(shí)藻細(xì)胞光暗交替頻率為0，通氣時(shí)光暗交替頻率為0.2 Hz。

符 號(hào) 說(shuō) 明

D ——槳葉直徑，m

d0——光程，cm

H ——跑道池高度，m

I——光強(qiáng)，lx

L——跑道池總長(zhǎng)度，m

L1——跑道池水平流道長(zhǎng)度，m

ΔL/W ——量綱為1導(dǎo)流板延伸長(zhǎng)度

R1——內(nèi)導(dǎo)流板半徑，m

R2——外導(dǎo)流板半徑，m

t——時(shí)間，s

W ——跑道池總寬度，m

W1——跑道池單側(cè)流道寬度，m

Δx/L1——量綱為1長(zhǎng)度方向間距

Δy/W1——量綱為1寬度方向間距

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CFD simulation and optim ization of an open raceway photo-bioreactor

ZHU Fachao1，HUANG Jianke2，CHEN Jianpei1，LI Yuanguang2
（1State Key Laboratory of Chemical Engineering，East China University of Science and Technology；2State Key Laboratory of Bioreactor Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

The flow profile in an open raceway photo-bioreactor was studied by employing computational fluid dynamics（CFD）. The effects of the inducing baffle structure，air inlets spacing along length direction and w idth direction were investigated. The calculated results showed that an open raceway photo-bioreactor has maximum velocity，m inimum dead zone ratio and minimum power input when the inducing baffles angles are 180°，and extending length ΔL/W is 0.5. The average velocity magnitude along the light direction is maximum when the spacing along w idth direction ΔY/W1is 1/4，and the spacing along length direction ΔX/L1is 0.025. Light intensity，light and dark frequency of algal cells are derived from particle trajectories w ith and w ithout air by employing particle tracking model（PTM）.

algae energy；open raceway pond；computational fluid dynamics（CFD）；particle tracking model （PTM）

TQ 027.2

A

1000-6613（2012）06-1184-10

2011-11-01；修改稿日期：2012-02-15。

國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB200903）。

諸發(fā)超（1986—），男，碩士研究生，從事流體混合與CFD技術(shù)研究。聯(lián)系人：陳劍佩。E-mail chenjianpei@ecust.edu.cn。