收稿日期：2022-04-28

基金項目：河北農(nóng)業(yè)大學人才引進專項（YJ201831）

通信作者：王雅雅（1988—），女，博士、副教授，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物處理與資源化利用、生物質(zhì)能源綜合利用方面的研究。

jdwyy@hebau.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0594 文章編號：0254-0096（2023）08-0542-08

摘 要：為確定不同攪拌器下厭氧發(fā)酵體系原料的運動規(guī)律，以單一雞糞、雞糞與玉米秸稈干重比1∶4混合原料為研究對象，對不同含固率下雞糞以及混合原料的流變特性進行測定?；诨旌显系牧髯兲匦裕\用CFD對4種攪拌器進行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：與雞糞類似，混合原料為非牛頓假塑性流體，其流變特性可用冪律模型表征，二者黏度均隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，但混合原料的稠度系數(shù)和流變指數(shù)均低于雞糞；六彎葉攪拌器對其附近流場影響較大，六斜葉圓盤渦輪式攪拌器的死區(qū)范圍最小，六彎葉攪拌器相較于六斜葉攪拌器具有更高的徑向速度。

關鍵詞：生物質(zhì)能；厭氧發(fā)酵；黏度；數(shù)值分析；混合原料；計算流體力學

中圖分類號：S216.4"""""""""""" """""""" ""文獻標志碼：A

0 引 言

近年來，隨著中國厭氧發(fā)酵技術的不斷發(fā)展，固體廢物的處理效率得到極大提高。厭氧發(fā)酵既能顯著減少甲烷排放又能提供清潔能源［1］，是畜禽糞污資源化利用的重要方式。針對單一畜禽糞便發(fā)酵，尤其是像雞糞這樣C/N比較低、極易形成氨氮抑制［2-3］等問題，不少學者進行了混合厭氧發(fā)酵的研究，采用C/N比較高的農(nóng)作物秸稈調(diào)節(jié)體系C/N比至25～30，可提高厭氧發(fā)酵體系的產(chǎn)氣量和穩(wěn)定性［4-5］。物料的流變特性對于厭氧發(fā)酵的各個過程具有重要意義，例如物料的輸送，發(fā)酵過程中體系內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱以及攪拌效率等［6-7］，不少學者對畜禽糞便和污泥的流變特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)可用冪律模型進行表征［8-9］。

近年來，計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）成為一種廣泛應用于優(yōu)化厭氧發(fā)酵反應器參數(shù)的重要方法，其預測數(shù)據(jù)已被證明具有重要的應用價值［10-11］，可解決反應器傳熱、傳質(zhì)及內(nèi)部流場分析困難的問題，進而降低實際生產(chǎn)成本。結(jié)合原料的流變特性可得到反應器內(nèi)的真實流場，從而實現(xiàn)對厭氧發(fā)酵反應器的優(yōu)化。目前，結(jié)合不同原料的流變特性對厭氧發(fā)酵反應器的流場進行分析的研究較多［12-14］。隨著研究的深入，出現(xiàn)了利用數(shù)值模擬對厭氧發(fā)酵過程及反應器進行優(yōu)化的相關研究。文獻［15］通過數(shù)值模擬研究了混合時間對厭氧發(fā)酵的影響。向闖等［16］通過CFD優(yōu)化高固含率反應器的攪拌器類型、轉(zhuǎn)速、直徑等參數(shù)。魏亮亮等［17］通過CFD優(yōu)化了臥式反應器的轉(zhuǎn)速、攪拌器直徑等參數(shù)。

目前，對于厭氧發(fā)酵原料數(shù)值模擬的研究多為單一原料，有關混合原料的研究很少。因此，本文以雞糞、雞糞與玉米秸稈干重比1∶4混合原料為研究對象，探究雞糞、雞糞與秸稈混合原料流變特性的差異，并基于混合原料的流變特性，采用ANSYS Fluent計算和模擬厭氧發(fā)酵反應器不同攪拌器的流場。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本文以雞糞與玉米秸稈為試驗原料，雞糞取自河北省保定市清苑區(qū)某養(yǎng)殖場，玉米秸稈采購于江蘇連云港某商鋪，粒徑為30目，其基本性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗裝置

試驗儀器為NDJ-8S數(shù)字顯示黏度計（上海衡平儀器儀表有限公司），包含4種常規(guī)轉(zhuǎn)子（記為1～4號），測量牛頓流體的絕對黏度和非牛頓流體的表觀黏度，測量范圍為（1～2）×106 mPa·s，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為6、12、30、60 r/min。

厭氧發(fā)酵反應器如圖1所示。反應器內(nèi)腔為圓柱體，高度200 mm，直徑180 mm，總?cè)莘e5 L，采用底部加熱方式。攪拌器分為4種，分別為六彎葉開啟渦輪式、六彎葉圓盤渦輪式、六斜葉開啟渦輪式及六斜葉圓盤渦輪式。具體參數(shù)如表2所示，其中彎葉式彎曲角度為45°，斜葉式傾斜角度為45°，攪拌器離底高度均為40 mm。

1.3 試驗方法

根據(jù)雞糞的含固率（TS），用蒸餾水對雞糞進行稀釋，控制其TS分別為4%、6%、8%、10%，分別在低溫（15 ℃）、中溫（35 ℃）、高溫（55 ℃）條件下，用NDJ-8S型旋轉(zhuǎn)黏度計測量4種攪拌轉(zhuǎn)速（6、12、30、60 r/min）下的黏度，各處理測量3次，取平均值。

采用恒溫水浴鍋將TS為8%的雞糞混合液的溫度分別控制在15、25、35、45、55、65 ℃，用NDJ-8S型旋轉(zhuǎn)黏度計測量4種攪拌轉(zhuǎn)速下的黏度，各處理測量3次，取平均值。

將雞糞與玉米秸稈按干重比1∶4混合，用蒸餾水進行稀釋，配制TS分別為4%、6%、8%、10%的混合液，分別在低溫（15 ℃）、中溫（35 ℃）、高溫（55 ℃）條件下，用NDJ-8S型旋轉(zhuǎn)黏度計測量4種攪拌轉(zhuǎn)速下的黏度，各處理測量3次，取平均值。

1.4 流變特性分析

1.4.1 表觀粘度與流變特性的關系

受原料產(chǎn)地及新鮮程度的影響，雞糞黏度會產(chǎn)生一定變化，但其流變特性不發(fā)生根本變化。研究表明，雞糞屬于非牛頓假塑性流體，其流變特性可使用冪律方程（式（1））來描述［18］。

[lnη=（n-1）ln（4πN）+lnK-n?lnn]""""" （1）

式中：[η]——表觀黏度，Pa·s；[n]——流體流變指數(shù)，無因次；[N]——轉(zhuǎn)速，r/s；[K]——流體稠度系數(shù)，Pa·sn。

1.4.2 表觀黏度與溫度的關系

研究表明，大多數(shù)畜禽糞便的表觀黏度隨溫度的變化趨勢基本一致，符合一次函數(shù)模型：

[η=At+B]"""" （2）

式中：[t]——溫度，℃。

1.5 模型建立

1.5.1 湍流模型

模擬過程中湍流模型由反應器的雷諾數(shù)[Re]決定，當[Relt;1000]時，流體屬于層流；反之，當[Regt;1000]時，流體屬于湍流，應選擇湍流模型。由于本文模擬選用的混合原料屬于非牛頓流體，其黏度隨轉(zhuǎn)速變化，雷諾數(shù)[Re]需通過式（3）進行計算：

[Re=ρU2-n∞dnmK0.75+0.25/nn8n-1]""""" （3）

式中：[U∞]——葉片葉端線速度，m/s；[dm]——運動區(qū)域直徑，m。

1.5.2 網(wǎng)格劃分

采用SolidWorks對厭氧發(fā)酵反應器進行建模，在SpaceClaim中進行布爾運算，得到旋轉(zhuǎn)域及流體域如圖2a所示。采用ICEM進行網(wǎng)格劃分，如圖2b所示。采用非結(jié)構化網(wǎng)格分別對反應器的動靜區(qū)域進行劃分。劃分后網(wǎng)格正交質(zhì)量的最小值為0.34，滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求［14］。厭氧發(fā)酵反應

器的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為232471個，網(wǎng)格數(shù)量為1361306個，由于攪拌器模型不一致，網(wǎng)格數(shù)量可能會有所波動，但基本保持在約130萬，不對仿真結(jié)果產(chǎn)生影響。

1.5.3 數(shù)值設置

采用Fluent對反應器內(nèi)的流場進行模擬。旋轉(zhuǎn)域部分采用多重參考系法（MRF）。選擇穩(wěn)態(tài)壓力基求解器，求解器采用Couple格式。湍動能和湍動能耗散均采用一階迎風格式（first order upwind），動量方程、體積分數(shù)方程采用二階迎風格式（second order upwind）。設定收斂殘差為10-3，對模型進行混合初始化，開始計算。

2 試驗結(jié)果

2.1 原料流變特性分析

2.1.1 含固率和溫度對雞糞表觀黏度的影響

由圖3可知，相同溫度下4種不同TS下雞糞的表觀黏度均隨轉(zhuǎn)速的增大而逐漸降低，且轉(zhuǎn)速越低降幅越大。TS在4%～8%時，其表觀黏度的變化不大，且黏度值較低。這與雞糞中存在砂粒和其他不易溶解的物質(zhì)導致低含固率時雞糞的溶解效果較差有關，其表觀黏度較牛糞、豬糞偏低［19］；而TS為10%的發(fā)酵原料的表觀黏度有明顯提升，這是由于雞糞干物質(zhì)含量的提高，使得雞糞中砂礫等不溶解物質(zhì)對體系的影響減小。相同含固率下，隨著溫度的升高其黏度降低，且含固率越高，黏度下降程度越大，這是由于溫度的升高，表面張力減小和分子熱運動加劇，導致黏度降低［20］。由圖3d可知，雞糞含固率為8%時，在相同轉(zhuǎn)速下，隨著溫度的升高，雞糞

的表觀黏度不斷降低；在相同溫度下，轉(zhuǎn)速越低，其表觀黏度隨溫度的降幅越大，表觀黏度與溫度相關性越高，經(jīng)過擬合發(fā)現(xiàn)，雞糞的表觀黏度符合一次函數(shù)模型，擬合程度較高（[R2gt;0.98]）。

2.1.2 添加玉米秸稈對雞糞體系表觀黏度的影響

由圖4可知，與雞糞黏度變化趨勢類似，雞糞與玉米秸稈混合原料的表觀黏度隨轉(zhuǎn)速的增大而降低，相同轉(zhuǎn)速下，TS越高混合原料的黏度越大；相同溫度下，TS越高表觀黏度隨轉(zhuǎn)速變化的幅度越大；另外，隨著溫度的升高，混合原料的表觀黏度有所降低，轉(zhuǎn)速越低表觀黏度的降幅越大。相比于雞糞，混合原料含固率為8%與10%的黏度變化差異較小。

混合原料的表觀黏度較單一雞糞均明顯下降，這是由于混合原料中玉米秸稈的比例較高，雞糞對體系的影響較小，而玉米秸稈的含固率偏高，需要更多的水來調(diào)節(jié)其含固率，導致體系內(nèi)的自由水增多，雖然玉米秸稈顆粒內(nèi)部具有多孔性的特點，這些孔隙能吸附液體［21］，但其吸附性不足以完全吸附體系內(nèi)多余自由水，導致體系內(nèi)的自由水仍多于純雞糞體系，體系的稠度系數(shù)和流變指數(shù)降低，隨著體系含固率的增加，混合原料的表觀黏度下降程度變大。不同溫度條件下，混合原料在TS分別為4%、6%、8%、10%時均為假塑性流體?；旌显现泻写罅磕举|(zhì)纖維素，通常情況下，纖維素粒子相互作用形成三維網(wǎng)絡，轉(zhuǎn)速在6～12 r/min時存在破壞該結(jié)構的趨勢，因此表觀黏度隨轉(zhuǎn)速的增大迅速減小，當轉(zhuǎn)速增至30 r/min以上，高轉(zhuǎn)速破壞其網(wǎng)絡結(jié)構，顆粒沿剪切方向水平排列，導致黏度變化變?。?2］。但其整體表觀黏度的變化規(guī)律并未改變，混合原料流變表現(xiàn)出很強的假塑性，即可用冪律模型來擬合其流變特性。

2.1.3 混合原料流變特性

將圖4b中的表觀黏度數(shù)據(jù)與冪律方程（式（1））進行模擬，得到擬合關系如圖5所示。通過圖線斜率及截距可計算出中溫條件下混合原料的流變指數(shù)[n]以及稠度系數(shù)[K，]計算結(jié)果如表3所示。由表3可知，通過擬合計算出混合原料的[n]和[K]，其流變指數(shù)[n]均小于1，屬于假塑性流體。隨著混合原料含固率（TS）的增大，混合原料的流變指數(shù)[n]不斷減小，混合原料表現(xiàn)出的假塑性越強；TS越小，混合原料的流變特性越接近于牛頓流體。隨著混合原料TS的增大，其稠度系數(shù)K逐漸增大，黏稠度升高。

稠度系數(shù)K

通過上述不同TS混合原料表觀黏度與冪律模型的擬合發(fā)現(xiàn)，TS為6%時，其擬合度較高（[R2=0.9834]），TS為4%時，其擬合度較低（[R2=0.9569]），但均符合擬合要求；根據(jù)實際試驗的需求，選擇TS=6%的擬合數(shù)據(jù)作為CFD仿真模擬的材料特性，對于非牛頓流體，其黏度并非常數(shù)，通過式（3）計算雷諾數(shù)[Re]。本文模擬設定攪拌轉(zhuǎn)速為30 r/min，當流體TS為6%時，[Regt;1000]，應選擇湍流模型，本文仿真采用Realizable K-[ε]模型。

2.2 厭氧發(fā)酵反應器內(nèi)流場分析

結(jié)合TS為6%的混合原料的流變特性，采用CFD仿真模擬實驗室規(guī)模的厭氧發(fā)酵反應器內(nèi)的流場分布，選擇4種既能產(chǎn)生徑向流又能產(chǎn)生軸向流的攪拌器，在攪拌轉(zhuǎn)速均為30 r/min條件下，通過數(shù)值模擬得到反應器內(nèi)的速度分布云圖、速度矢量圖和死區(qū)分布圖。

2.2.1 流場速度分布

在攪拌轉(zhuǎn)速均為30 r/min情況下，F(xiàn)luent求解生成的[ZX]截面的速度云圖如圖6所示。4種攪拌器由于葉片面積較小，僅在攪拌器周圍的流體受到攪動，能實現(xiàn)局部物料的循環(huán)和混合，在攪拌器葉端的速度最高、湍流強度高，流體受剪切其黏度下降、流動性增強，對于遠離攪拌器的區(qū)域，所受攪拌器的驅(qū)動力較小，由于黏度的存在速度逐漸減小，到達反應器壁面時，未起到強烈的攪動效果，流體難以運動。相同尺寸下，4種攪拌器的反應器平均速度分別為0.0069、0.0072、0.0074、0.0077 m/s，相差不大。高速區(qū)主要集中在攪拌器周圍，離攪拌器越遠處速度越低，其中六彎葉開啟渦輪式攪拌器和六彎葉圓盤渦輪式攪拌器的速度場從攪拌器中心向四周擴散，在靠近壁面后上下分流，形成2個渦流；六斜葉開啟渦輪式攪拌器速度場沿斜葉向下運動，其速度場對攪拌器下方產(chǎn)生更大的影響，但向上沿軸向的環(huán)流較小，對反應器上方的影響較小，與六斜葉開啟渦輪式攪拌器相似，六斜葉圓盤渦輪式攪拌器的速度場也是沿斜葉方向向下擴散的，但其速度場沿軸向向上擴散，形成向上的環(huán)流，對攪拌器上方產(chǎn)生更大的影響。

2.2.2 速度矢量分布

由圖7可知，六彎葉開啟渦輪式攪拌器和六彎葉圓盤渦輪式攪拌器主要表現(xiàn)為流體從攪拌器葉端射向反應器壁面，在攪拌器上下形成2個循環(huán)流，2種攪拌器的差別不大。斜葉式攪拌器使流體沿葉片斜面向下流動，斜葉開啟渦輪式的流體沿斜葉向下后在底部形成一個循環(huán)流，向上的循環(huán)流較小，因此對攪拌器上方的影響較低，導致死區(qū)范圍較大；六斜葉圓盤渦輪式攪拌器流體沿葉片斜面向下后向上形成一個較大的環(huán)流，對攪拌器上方影響較大，而攪拌器下方的環(huán)流較小；同時，六斜葉開啟渦輪式和六斜葉圓盤渦輪式攪拌器的速度方向主要沿斜面，因此在ZX截面的速度矢量比六彎葉開啟渦輪式和六彎葉圓盤渦輪式攪拌器低。

2.2.3 死區(qū)范圍

有研究者將死區(qū)作為攪拌混合的評價標準，吳斌鑫等［23］定義了低速區(qū)、中速區(qū)和高速區(qū)，將速度大于0.001 m/s的部分定義為有效混合區(qū)，反之則為死區(qū)?；诖?，本文以速度來定義死區(qū)范圍，在厭氧發(fā)酵反應器中，高速運動區(qū)域有利于物料的傳質(zhì)、傳熱以及能量交換，而死區(qū)部分的物料流動緩慢甚至處于停滯狀態(tài)，雖然有利于微生物的繁殖，但缺少與周圍物料的傳質(zhì)和能量交換，容易出現(xiàn)結(jié)殼或者貼壁現(xiàn)象，死區(qū)是廣泛存在于各種攪拌裝置中的，死區(qū)的存在不僅使反應器內(nèi)的物料無法正?；旌?，造成傳質(zhì)和傳熱不均，還進一步減少了反應器的有效容積，降低了厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率。

圖8為[ZX]截面的死區(qū)范圍，其中紅色區(qū)域（詳見電子版文件）代表速度大于0.001 m/s的有效混合區(qū)，其余部分為死區(qū)，即反應器內(nèi)不流動或者流動緩慢的區(qū)域，通過模擬計算，六斜葉圓盤渦輪式攪拌器的死區(qū)范圍最小，為38.42%，混合效果較好，其余3種攪拌器的死區(qū)范圍相差不大，約為42%，4種攪拌器的死區(qū)主要分布在反應器的上半部分，說明攪拌器的離底高度太小，導致攪拌器對反應器上半部分的攪動

不足，容易產(chǎn)生浮渣，因此結(jié)合仿真結(jié)果，在實際應用中建議適當調(diào)節(jié)攪拌器離底高度、增加攪拌器層數(shù)或增加攪拌器直徑、提高轉(zhuǎn)速，以減少反應器內(nèi)的死區(qū)范圍。

2.3 數(shù)值分析

取反應器內(nèi)[x=-0.09～0.09] m、[y=0] m、[z=0.02] m處的一條直線為監(jiān)測線，通過對比分析4種不同攪拌器的徑向速度、軸向速度和切向速度，本文仿真以攪拌器中心為坐標原點，徑向速度以原點指向四周為正，反向為負；軸向速度以沿z軸正向為正（方向向上），切向速度與攪拌器的轉(zhuǎn)動方向一致為正，反向為負。徑向速度、軸向速度和切向速度的分布曲線如圖9所示。由圖9可知，在[x=-0.09～0.09] m、[y=0] m、[z=0.02] m的徑向位置處，4種不同攪拌器流場的徑向速度、軸向速度和切向速度大體上是以軸對稱的形式分布的。從圖9a可看出，4種攪拌器的徑向速度由內(nèi)向外先升高后下降。其中，六彎葉開啟渦輪式攪拌器的徑向速度最高，其徑向速度的峰值可達到0.0092 m/s，六斜葉圓盤渦輪式攪拌器的徑向速度最低；六彎葉攪拌器較六斜葉攪拌器擁有更高的徑向速度，說明彎葉型攪拌器會產(chǎn)生更高的徑向射流。

從圖9b可看出，4種攪拌器在徑向位置的軸向速度基本類似，在[x=±0.08] m附近軸向速度達到峰值，在接近攪拌軸和反應器壁面時，軸向速度逐漸降低，到達攪拌軸和反應器壁面時速度降為零。軸向速度有正值也有負值，這是由于速度方向發(fā)生改變，產(chǎn)生的原因是攪拌器運動使反應器內(nèi)產(chǎn)生了“渦環(huán)”。其中，六彎葉圓盤渦輪式攪拌器的軸向速度峰值

最大，為0.0185 m/s；六斜葉開啟渦輪式攪拌器的軸向速度峰值最低。從圖9c可發(fā)現(xiàn)，六斜葉圓盤渦輪式攪拌器切向速度較大，其余攪拌器的切向速度相差不大，在[x=±0.08] m附近達到峰值，在接近反應器壁面附近逐漸減小，在接近攪拌軸時突然增大，這是由于軸的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切向速度，流體繞軸做旋轉(zhuǎn)運動，切向流混合效果差，應加以抑制。

通過對這4種攪拌器的各速度分量進行定量分析，彎葉攪拌器的徑向速度較大，徑向流特征明顯，而六斜葉開啟渦輪式攪拌器和六斜葉圓盤渦輪式攪拌器更偏向于軸向流，因此徑向速度較小，其中六斜葉圓盤渦輪式攪拌器的軸向流比徑向流更明顯，在攪拌器上方20 mm處，彎葉攪拌器的速度高于斜葉攪拌器，說明六彎葉攪拌器對攪拌器附近的流體影響較大。

3 結(jié) 論

1）混合原料為非牛頓假塑性流體，其表觀黏度變化趨勢與雞糞類似，但相較雞糞黏度有明顯降低，流變指數(shù)和稠度系數(shù)也有所降低。

2）4種攪拌器的速度最大值均位于葉端處，越遠離攪拌器速度越低，4種攪拌器的平均速度相差不大，其中彎葉攪拌器對攪拌器附近的流場速度影響較大。4種攪拌器的死區(qū)主要分布在反應器的上半部分，其中六斜葉圓盤渦輪式攪拌器的死區(qū)范圍最小，為38.42%，混合效果較好；其余3種攪拌器的死區(qū)范圍相差不大，約為42%。

3）通過對攪拌器上方20 mm處徑向位置的各速度分量進行分析，六彎葉開啟渦輪式攪拌器在該位置的徑向速度最大，表現(xiàn)出強烈的徑向流特征，其他速度分量差異不大。

［參考文獻］

［1］"""" 徐文倩， 董紅敏， 尚斌， 等. 典型畜禽糞便厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷潛力試驗與計算［J］. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2021， 37（14）： 228-234.

XU W Q， DONG H M， SHANG B， et al. Experiment and calculation on the biochemical methane potential of typical livestock" and poultry" manure" in" anaerobic" digestion［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2021， 37（14）： 228-234.

［2］"""" ZUBAYEDA Z， MAAZUZA Z O， TIM H M. Anaerobic digestion/co-digestion kinetic potentials of different agro-industrial wastes： a comparative batch study for C/N optimisation［J］. Waste management， 2018， 71： 663-674.

［3］"""" 田玉菲， 楊莉， 周鳴人， 等. 玉米芯與雞糞混合發(fā)酵提高甲烷發(fā)酵性能［J］. 化工進展， 2019， 38（6）： 2898-2904.

TIAN Y F， YANG L， ZHOU M R， et al. Research on performance improvement of biomethane via codigestion of corncob"" and"" fowl"" dung［J］."" Chemical"" industry"" and enggineering progress， 2019， 38（6）： 2898-2904.

［4］"""" 秦凱. 碳氮比和接種物對水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物甲烷的影響［D］. 宜昌： 三峽大學， 2020.

QIN K. Effect of carbon nitrogen ratio and inoculum on biogenic methane production from rice straw by anaerobic fermentation［D］. Yichang： China Three Gorges University， 2020.

［5］"""" 潘怡博. 秸稈與畜禽糞便混合發(fā)酵產(chǎn)氣特性研究［D］. 鄭州： 河南農(nóng)業(yè)大學， 2021.

PAN Y B. Characteristics of biogas production by mixed fermentation of straw and livestock manure［D］. Zhengzhou： Henan Agricultural University， 2021.

［6］"""" 曹秀芹， 楊平， 趙振東. 污泥流變學及其厭氧消化混合特性數(shù)值模擬研究進展［J］. 環(huán)境工程學報， 2015， 9（3）： 997-1003.

CAO X Q， YANG P， ZHAO Z D. Research progress of sludge rheology and numerical simulation of mixing characteristics in anaerobic digestion reactors［J］. Chinese journal of environmental engineering， 2015， 9（3）： 997-1003.

［7］"""" 庫爾班江·熱西提， 趙希強， 馬春元. 生物質(zhì)漿體的流變特性研究進展［J］. 農(nóng)業(yè)工程， 2020， 10（5）： 42-51.

KURBAN R， ZHAO X Q， MA C Y. Research progress on rheological properties of biomass" slurry［J］." Agricultural engineering， 2020， 10（5）： 42-51.

［8］"""" 朱坤展， 劉建禹， 趙欣， 等. 牛糞發(fā)酵原料流變特性與表觀粘度研究［J］. 農(nóng)機化研究， 2016， 38（12）： 260-263.

ZHU K Z， LIU J Y， ZHAO X， et al. Rheological properties and apparent viscosity research of cow dung fermentation""" raw""" material""" research［J］.""" Journal"" of agricultural mechanization research， 2016， 38（12）： 260-263.

［9］"""" BAUDEZ J C， MARKIS F， ESHTIAGHI N， et al. The rheological" behaviour" of" anaerobic" digested" sludge［J］. Water research， 2011， 45（17）： 5675-5680.

［10］""" MICHAEL M， MASSOUD R， CHRISTIAN E， et al. Mixing" non-Newtonian" flows" in" anaerobic" digesters" by impellers" and"" pumped"" recirculation［J］." Advances" in engineering software， 2018， 115： 194-203.

［11］""" MURRAY""" M""" Y.""" Comprehensive""" biotechnology［M］. Waterloo， Canada： University of Waterloo， 2019.

［12］""" 李少白， 胡釗晨， 寇巍. 基于非牛頓性的牛糞厭氧發(fā)酵過程的數(shù)值模擬［J］. 太陽能學報， 2021， 42（7）： 469-473.

LI S B， HU Z C， KOU W. Numerical simulation of cow manure" anaerobic" digestion" based" on" non-newtionian property［J］. Acta energiae solaris sinica， 2021， 42（7）： 469-473.

［13］""" DAVIDE D， JOHN B. Assessment of mixing quality in full-scale， biogas-mixed" anaerobic" digestion" using" CFD［J］. Bioresource technology， 2018， 265： 480-489.

［14］""" 曹秀芹， 柴蓮蓮， 徐國慶， 等. 基于豬糞流變特性的厭氧消化反應器內(nèi)的數(shù)值模擬［J］. 環(huán)境工程學報， 2020， 14（2）： 498-505.

CAO X Q， CHAI L L， XU G Q， et al. Numerical simulation in anaerobic digestion reactor based on rheological properties of pig manure［J］. Chinese journal of environmental engineering， 2020， 14（2）： 498-505.

［15］""" MAO L W， ZHANG J X， DAI Y J， et al. Effects of mixing time on methane production from anaerobic co-digestion of food waste and chicken manure： experimental studies and CFD" analysis［J］." Bioresource" technology，" 2019，" 294： 122177.

［16］""" 向闖， 李莉莉， 王琨， 等. 固態(tài)發(fā)酵反應器流場數(shù)值分析及攪拌參數(shù)優(yōu)選［J］. 哈爾濱工業(yè)大學學報， 2021， 53（5）： 65-71.

XIANG C， LI L L， WANG K， et al. Numerical analysis of flow field and optimization of agitation parameters in solid state fermentation reactor［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2021， 53（5）： 65-71.

［17］""" WEI L L， REN Y M， ZHU F Y， et al. Horizontal flow reactor optimization for biogas recovery during high solid organics fermentation： rheological characteristic analyses［J］. Journal of water process engineering， 2020， 40： 101776.

［18］""" 牛耕蕪， 倪哲. 雞糞接種污泥聯(lián)合厭氧發(fā)酵過程中的流變特性研究［J］. 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報， 2020， 51（2）： 245-249.

NIU G W， NI Z. Rheological study on anaerobic co-digestion of chicken manure and sludges［J］. Journal of Shenyang Agricultural University， 2020， 51（2）： 245-249.

［19］""" 劉刈， 鄧良偉， 王智勇. 幾種厭氧消化原料的流變特性及其影響因素［J］. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2009， 25（8）： 204-209.

LIU Y， DENG L W， WANG Z Y. Rheological properties of several kinds of feedstocks for anaerobic fermentation and their influencing factors［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2009， 25（8）： 204-209.

［20］""" 王彥祥， 何琴， 李蕾， 等. 餐廚垃圾中溫干式厭氧消化污泥的流變特性研究［J］. 環(huán)境科學學報， 2014， 34（12）： 3171-3178.

WANG Y X， HE Q， LI L， et al. Rheological characteristic analysis of dry anaerobic digestion sludge of food waste under""""" mesophilic"""" conditions［J］."""" Acta"""" scientiae circumstantiae， 2014， 34（12）： 3171-3178.

［21］""" 趙蘭蘭. CSTR攪拌槳設計與試驗研究［D］. 大慶： 黑龍江八一農(nóng)墾大學， 2019.

ZHAO L L. Design and experimental study of CSTR impeller［D］."" Daqing："" Heilongjiang"" Bayi"" Agricultural University， 2019.

［22］""" MIHAELA M， MINH T T T. Valorization of triticale straw biomass as reinforcement in proficient polypropylene biocomposites［J］. Waste and biomass valorization， 2018， 9（10）： 1971-1983.

［23］""" WU B X， KENNEDY S， ESHTIAGHI N， et al. CFD modeling" of" active" volume" creation" in" a" non-newtonian fluid""" agitated""" by""" submerged""" recirculating"" jets［J］. Chemical engineering amp; technology， 2018， 41（7）： 1441-1447.

CFD FLOW FIELD SIMULATION ANALYSIS BASED ON RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS OF ANAEROBIC FERMENTATION MIXED

RAW MATERIALS

Sun Hao1，Chen Gaopan1，Liu Shuang2，Wang Chao2，Hou Junying1，Wang Yaya1

（1. College of Mechanical amp; Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding 071001， China；

2. Hebei Animal Husbandry Station， Shijiazhuang 050035， China）

Abstract：In order to determine the movement characteristic of raw materials in the anaerobic fermentation reactor under different agitators， the rheological properties of pure chicken manure and mixed raw materials of chicken manure and corn stover with ratio of 1：4 （weight basis） under different total solid content were measured. Based on the rheological properties of mixed raw materials， the numerical simulation of four kinds of agitators were analyzed by using CFD. The results show that mixed raw materials is non-Newtonian fluids which is similar to the chicken manure， and its rheological properties can be characterized by power law model. The viscosity of mixed materials decreases with the increasing of siring speed， while the consistency coefficient and rheological index of mixed raw materials are lower than those of chicken manure. The six curved blade agitator has greater influence on the nearby flow field， and the dead zone of the six inclined blade disk turbine agitator is smallest. In addition， the six curved blade agitator has higher radial velocity than the six inclined blade agitator.

Keywords：biomass energy； anaerobic fermentation； viscosity； numerical analysis； mixed raw materials； CFD