黃如一， 黃正昕， 冉 毅， 熊 霞， 梅自力， 王 軍， 孔垂雪

(1. 農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都 610041； 2. 四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院， 成都 610065； 3.上海交通大學(xué) 國際與公共事務(wù)學(xué)院， 上海 200240； 4. 四川省農(nóng)村能源辦公室， 成都 610041)

沼氣工程通過消耗秸稈、畜禽糞便、生活污水等“三廢”污染物，生產(chǎn)高品質(zhì)清潔能源，兼具強大的環(huán)保效益、能源效益和減排效益，是解決農(nóng)村能源短缺和環(huán)境污染的實用節(jié)能減排技術(shù)，無論在發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，普遍被視為最具希望的可再生能源方式[1-3]。但目前沼氣工程大多采用自然進(jìn)出料和自然布水發(fā)酵，極少人工干預(yù)，亦缺乏有效的干預(yù)方法，所以普遍存在流動性差、產(chǎn)氣率低的缺陷[4]。解決這一問題的路徑是采取人工攪拌，打破靜態(tài)發(fā)酵，優(yōu)化流態(tài)[5]，現(xiàn)代沼氣工程普遍都要添加攪拌工藝[6]。攪拌的具體形式主要分葉輪機械攪拌、水力攪拌、氣動攪拌3種，Karim[7]通過實驗證明水力攪拌是其中最優(yōu)的一種。然而，由于沼氣發(fā)酵裝置的密閉性，料液攪拌中的流動狀態(tài)難以監(jiān)測，其流場形態(tài)亦是不可見的，從業(yè)人員往往只能在沒有掌握流場形態(tài)的情況下，隨意添加一些攪拌措施，但實際上并不適用于其罐體形狀或原料特性[8]，不但不能有效提升發(fā)酵效率，甚至反而消耗更多能源[9]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，沼氣行業(yè)開始利用數(shù)值模擬方法，定量描述沼氣料液攪拌時的流場形態(tài)，作為優(yōu)化設(shè)計攪拌措施的依據(jù)，取得了長足的進(jìn)步[10]。計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)軟件是當(dāng)前最常用的數(shù)值模擬工具，業(yè)界利用CFD方法極大地提升了沼氣工程設(shè)計水平，并從實驗和實際工程兩個途徑切實證明了CFD方法對沼氣料液攪拌流場模擬計算的準(zhǔn)確性[11]。馮琳[12]通過優(yōu)化設(shè)計一種底部進(jìn)水、高位分散式壓力出口罐型的過程，闡述了利用CFD方法排除流場缺陷，優(yōu)化設(shè)計罐型的方法，但僅限于較簡單的單相流方法。事實上，沼氣料液大多是復(fù)雜的多種發(fā)酵原料聯(lián)合發(fā)酵[13]，并至少包含固、液兩種相態(tài)，所以利用CFD的多相流模型模擬計算多種相態(tài)沼氣發(fā)酵原料的攪拌過程至關(guān)重要。本文以一個底面直徑0.8 m，高1.5 m的圓筒形沼氣發(fā)酵罐為例，定量描述水力攪拌不同進(jìn)水流速的攪拌效果，尤其是在料液呈明顯多相流特征的發(fā)酵后期，得到最佳的水力攪拌速度的過程，闡述CFD多相流模型在沼氣料液攪拌設(shè)計中的應(yīng)用方法。

1 模擬對象和數(shù)學(xué)模型

1.1 模擬分析對象與條件

為分析水力攪拌對沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)部流場的具體影響，構(gòu)建一個循環(huán)系統(tǒng)，通過泵提供動力，從底部進(jìn)水，通過4個分散式出口出水，形成循環(huán)攪拌。罐體底面直徑0.8 m，高度1.5 m，發(fā)酵料液有效容積為0.6 m3，儲氣間容積為0.15 m3。出水管高度距罐底面1.1 m，共4個。如圖1所示。

1.循環(huán)管； 2.液柱； 3.儲氣間； 4.導(dǎo)氣管； 5.出水口； 6.進(jìn)水口； 7.水泵圖1 分散式壓力出口設(shè)計圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 以水為介質(zhì)的基本流場數(shù)學(xué)模型

沼氣發(fā)酵料液前期為低濃度混合溶液，流動性近似于水，所以用液態(tài)水作為介質(zhì)，模擬其流場，可以作為該沼氣發(fā)酵裝置中流體的基本流場。

不考慮時間變化的影響，其流體流動連續(xù)性方程如下：

(1)

其動量方程如下：

(2)

(3)

(4)

式中：▽為哈密頓微分算子：

(5)

1.2.2 多相流形態(tài)采用歐拉模型

發(fā)酵后期，秸稈逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邼舛日承粤黧w，呈假塑性流體相態(tài)[14]，其攪動相當(dāng)于秸稈溶液與水的液-液兩相流，且濃度較高。根據(jù)王軍[15]給出的沼氣料液攪拌工況適用模擬算法模型表，該階段工況第二相體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出1%，所以不宜采用拉格朗日算法下的離散相模型，而應(yīng)該在歐拉算法下的3種模型中選擇。考慮到該階段秸稈原料已經(jīng)成為假塑性流體而不再是顆粒形態(tài)，所以排除體積分?jǐn)?shù)模型?？紤]到假塑性流體(第二相)與水(第一相)的相間拽力較大，且兩相之間分離不明顯，所以排除混合模型，最終決定采用歐拉模型。假設(shè)兩種流體相分別為p和q，其q相的流動連續(xù)性方程為如下：

(6)

其中q相的動量守恒方程：

(7)

(8)

q相的體積分?jǐn)?shù)連續(xù)性方程如下：

(9)

1.3 數(shù)值方法

沼氣發(fā)酵罐主要由發(fā)酵料液區(qū)、儲氣區(qū)兩個主要部分組成，水力攪拌所影響的主要是料液部分，所以將液柱作為模擬計算對象，模型簡化為1.2 m高的液柱，底部有一個直徑0.05 m的圓形孔洞，1.1 m高處均勻分布4個直徑0.1 m的圓形孔洞。采用控制容積法劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型選用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，共生成3334851個網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 液柱模型的網(wǎng)格示意圖

2 不同工況的模擬結(jié)果對比

2.1 以水為介質(zhì)的模擬

2.1.1 進(jìn)水速度為0.3 m·s-1時的模擬結(jié)果

圖3是進(jìn)水流速為0.3 m·s-1時的模擬結(jié)果，從該圖可見，流速分布相對均勻，且較多動能分布在高位。發(fā)酵初期較多物料浮于上方，所以動能集中在上方有利于克服重力，使其混合均勻，提升發(fā)酵效率[7]。但該工況下總體動能還不夠充沛，所以考慮提高進(jìn)水速度。

圖3 進(jìn)水流速為0.3 m·s-1時的三維和x = 0截面動能分布圖

2.1.2 進(jìn)水速度為0.6 m·s-1的模擬結(jié)果

圖4是進(jìn)水流速為0.6 m·s-1的模擬結(jié)果，通過該圖可見，流速分布依然比較均勻，盡管低位區(qū)域的動能分布改善不大，但總體動能更加充沛，加強了整體流場的流動性。

2.1.3 進(jìn)水速度為1 m·s-1的模擬結(jié)果

繼續(xù)提高進(jìn)口流速，圖5是進(jìn)水流速為1 m·s-1的模擬結(jié)果，通過該圖可見，動能比上一個工況更充沛，但分布的均勻性則明顯不及。尤其通過x = 0截面，清晰可見在高度約為z=0.5 m和z=0.9 m的區(qū)域之間，有明顯分層現(xiàn)象，顯示盡管消耗了更多能量來攪拌，卻反而不利于沼氣發(fā)酵料液的均勻混合。

圖4 進(jìn)水流速為0.6 m·s-1時的三維和x=0截面動能分布圖

圖5 進(jìn)水流速為1 m·s-1時的三維和x = 0截面動能分布圖

2.1.4 進(jìn)水速度為1.5 m·s-1的模擬結(jié)果

繼續(xù)提高進(jìn)水速度至1.5 m·s-1，通過模擬結(jié)果圖6可見，速度提高后整個流體區(qū)域的動能都非常充沛，但中部的分層現(xiàn)象更加嚴(yán)重。可見，當(dāng)進(jìn)水速度達(dá)到一定程度后，隨著速度的持續(xù)增大，流態(tài)越來越差。

圖6 進(jìn)水流速為1.5 m·s-1時的三維和x = 0截面動能分布圖

2.2 發(fā)酵后期的液-液兩相流模擬

圖7是秸稈原料持續(xù)發(fā)酵30 d的形態(tài)變化，初進(jìn)入發(fā)酵罐的秸稈原料呈較完整的顆?；蜷L條狀，與水相對分離，但經(jīng)過發(fā)酵，會逐漸成為膠融狀的假塑性流體[16]。

圖7 秸稈原料持續(xù)發(fā)酵后的形態(tài)變化

發(fā)酵后期的流態(tài)已迥異于純水，可將秸稈膠融擬流體視為一種粘性流體，則此時的流場為水和秸稈的液-液兩相流?？赏ㄟ^模擬計算各流速下，次要相(秸稈)在主相(水)中所占的體積分?jǐn)?shù)在流場中的分布情況，來說明其混合均勻性。

根據(jù)實驗測定，經(jīng)過30天充分發(fā)酵后，秸稈溶液的總固體(TS)濃度為12.45%，密度為967.56 kg·m-3，運動粘性系數(shù)為0.0137 m2·s-1，根據(jù)此物性參數(shù)設(shè)定模擬計算條件。

2.2.1 進(jìn)水速度為0.6 m·s-1的模擬結(jié)果

圖8是進(jìn)水速度為0.6 m·s-1時，第二相(秸稈)所占的體積分?jǐn)?shù)云圖。由該圖可見，經(jīng)過水力攪拌達(dá)到穩(wěn)定后，在壓力出口(1.1 m高度)的上方區(qū)域，形成一個明顯的分層，秸稈膠融擬流體所占的體積分?jǐn)?shù)極小，水的體積分?jǐn)?shù)接近100%，大量秸稈原料堆積在下方。此符合沼氣發(fā)酵后期，清液層浮于料液層上方的經(jīng)驗。這種分層并不利于料液均勻混合，但料液在其下方分布相對均勻，只有進(jìn)水速度方向上有一個直徑不大的通路?？梢妼毫Τ隹谠O(shè)計得盡量高，可盡量減少清液層所占體積，提高有效容積。

圖8 進(jìn)水流速為0.6 m·s-1時的第二相(秸稈)體積分?jǐn)?shù)三維和x = 0截面分布云圖

2.2.2 進(jìn)水速度為1 m·s-1的模擬結(jié)果

圖9是進(jìn)水速度為1 m·s-1的模擬結(jié)果。由該圖可見，大部分區(qū)域秸稈的體積分?jǐn)?shù)分布仍然比較均勻，圖5中的分層現(xiàn)象在此時卻并未出現(xiàn)。相反，清液層由于受到更大進(jìn)水速度的沖擊而被壓縮得更小?？梢?，在粘性劇增的情況下，適宜的進(jìn)水速度大大提高了。所以考慮繼續(xù)提高進(jìn)水速度，以圖將清液層的體積壓縮得更小。

2.2.3 進(jìn)水速度為1.5 m·s-1的模擬結(jié)果

圖10是進(jìn)水速度為1.5 m·s-1的模擬結(jié)果。秸稈的體積分?jǐn)?shù)分布并不特別均勻，高位的清液層雖然繼續(xù)變小，但并未被完全打破，相反，在z=0.25 m左右的高度，又形成了一個新的分層，將整個流體區(qū)域分成兩個濃度差異較大的區(qū)間。這可能是多余的動能在中下部形成流體渦旋造成的?？梢?，過大的進(jìn)水速度，非但不利于攪拌，反而會形成新的分層，極大降低混合的均勻性，浪費有效容積，不利于提高產(chǎn)氣率。

圖9 進(jìn)水流速為1 m·s-1時的第二相(秸稈)體積分?jǐn)?shù)三維和x = 0截面分布云圖

圖10 進(jìn)水流速為1.5 m·s-1時的第二相(秸稈)體積分?jǐn)?shù)三維和x = 0截面分布云圖

2.3 對比結(jié)果討論

通過不同工況下改變進(jìn)水流速的模擬計算，沼氣料液的攪拌流場得到可視化分析，容易發(fā)現(xiàn)無論是清水介質(zhì)，還是混合兩相介質(zhì)，攪拌中都容易出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，這是優(yōu)化攪拌流場首先需要避免的問題。通過高位分散式出口設(shè)計和提高底部攪拌的進(jìn)水流速可以盡量減少清液層所占的體積，但在實際模擬中也發(fā)現(xiàn)，太大的進(jìn)水速度會在罐體中部或底部形成新的分層，不利于均勻混合。可見，在優(yōu)化沼氣工程設(shè)計攪拌方案的實際工作中，應(yīng)該首先使用數(shù)值模擬方法，可視化分析攪拌流場形態(tài)，確定合適的攪拌參數(shù)，尤其是進(jìn)水流速。

而通過多相流模擬，我們又可以發(fā)現(xiàn)，在多相流工況下，適宜的進(jìn)水流速又發(fā)生了改變。以本文所用罐體結(jié)構(gòu)為例，清水介質(zhì)采用0.6 m·s-1為進(jìn)水速度，其基本流場優(yōu)于1 m·s-1，但發(fā)酵進(jìn)行到后期，由于粘性提高，適宜的攪拌速度亦隨之提高，1 m·s-1亦不會造成明顯分層，則比0.6 m·s-1更加合適，但進(jìn)水流速繼續(xù)提高到1.5 m·s-1時，便發(fā)現(xiàn)多余的動能會在罐體中下部形成新的明顯分層，甚至形成“死區(qū)”[17]，對發(fā)酵效率非常不利，表明該參數(shù)設(shè)計偏大，需要優(yōu)化?？梢?，在特定的罐體結(jié)構(gòu)中，適宜的進(jìn)水速度隨著粘性增大而增大，并可以通過數(shù)值模擬方法定量計算得出。除了罐體結(jié)構(gòu)，死區(qū)的形成和原料自身的流變特性也具有密切關(guān)系[18]，所以需要在模擬中，根據(jù)原料的實際物性特征，正確設(shè)置模擬相態(tài)參數(shù)，獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，以供可視化分析。

3 結(jié)論

沼氣發(fā)酵不能完全避免清液層和發(fā)酵層的明顯分層現(xiàn)象，但可以通過攪拌參數(shù)的精心設(shè)計盡量避免。進(jìn)水流速是攪拌設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，可以利用CFD方法模擬不同流速的流場優(yōu)化效果，既避免流速過低不能打破分層，又避免流速過高造成第二相堆積。在本文示例的罐體結(jié)構(gòu)中，適宜的進(jìn)水速度隨著粘性增大而增大，并可以通過CFD數(shù)值模擬方法定量計算得出，是現(xiàn)代沼氣工程設(shè)計的先進(jìn)方法。