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        敞開(kāi)式跑道池光生物反應(yīng)器的CFD模擬與優(yōu)化

        2012-10-19 08:47:40諸發(fā)超黃建科陳劍佩李元廣
        化工進(jìn)展 2012年6期
        關(guān)鍵詞:方向

        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

        [1] Wijffels Rene H,Barbosa Maria J. An outlook on m icroalgal biofuels[J].Science,2010,329:796-799.

        [2] 黃英明,王偉良,李元廣,等.微藻能源技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展思路與策略[J].生物工程學(xué)報(bào),2010,26(7):907-913.

        [3] Scott Stuart A,Davey Matthew P,Dennis John S,et al. Biodiesel from algae:Challenges and prospects[J].Current Opinion in Biotechnology,2010,21:277-286.

        [4] Lundquist T J,Woertz I C,Quinn N W T,et al.A realistic technology and engineering assessment of algae biofuel production[R].California :University of California Berkeley,2010.

        [5] Richmond A. Handbook of M icroalgal Mass Culture[M]. USA:CRC Press,1986.

        [6] Becker E W. M icroalgae:Biotechnology and M icrobiology[M].USA:Cambridge University Press,1994.

        [7] Rodney O Fox. CFD models for analysis and design of chemical reactors[J]. Advances in Chemical Engineering,2006,31:231-305.

        [8] Xia Jian Ye,Wang Si Jing,Zhang Si Liang,et al. Computational investigation of fl uid dynam ics in a recently developed centrifugal impeller bioreactor[J]. Biochemical Engineering Journal,2008,38:406-41.

        [9] Pruvost J,Pottier L,Legrand J. Numerical investigation of hydrodynam ic and m ixing conditions in a torus photobioreactor[J].Chemical Engineering Science,2006,61(14):4476-4489.

        [10] Wu L B,Li Z,Song Y Z.Hydrodynam ic conditions in designed spiral photobioreactors[J]. Bioresource Technology,2010,101(1):298-303.

        [11] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

        [12] Petkov G D. Adsorber tower as a photobioreactor for m icroalgae[J].Russian Journal of Plant Physiology,2000,47(6):786-788.

        [13] Round F E. The Biology of the Algae[M]. 2nd ed. London:Edward Arnold,1973.

        [14] Chisti M Y. Airlift Bioreactors[M]. England:Elsevier Science Publishers’ Ltd.,1989.

        [15] 于剛. 平板光生物反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CFD優(yōu)化方法研究及球等鞭金藻3011的培養(yǎng)[D].上海:華東理工大學(xué),2006.

        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。

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