馮 琳， 郭 亭， 趙 鑫， 羅 濤， 梅自力， 龍 燕， 黃如一,

(1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院， 四川 成都 611130； 2. 四川省農(nóng)村能源辦公室， 四川 成都 610041； 3.樂山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院， 四川 樂山 614000； 4.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， 四川 成都 610041)

攪拌是現(xiàn)代沼氣工程必不可少的操作單元，可大幅提高沼氣發(fā)酵效率，提升產(chǎn)氣率和污染物去除率[1-2]。但由于沼氣發(fā)酵必須在嚴格密閉的條件下進行，設(shè)計人員無從掌握攪拌時的流場形態(tài)，缺乏優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)，往往只能憑經(jīng)驗設(shè)計攪拌方式，有可能并不適用于其罐體形狀和原料特性[3]，一些粗劣的攪拌工藝對發(fā)酵效率的提升收效甚微，甚至反而消耗更多能源[4]。現(xiàn)在計算機數(shù)值模擬方法可以在很大程度上解決這個問題，沼氣發(fā)酵料液的攪拌本質(zhì)上是在外力作用下的流動過程，數(shù)值模擬計算可以幫助人們掌握其理論上的流動過程和流場形態(tài)。而隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，沼氣發(fā)酵裝置內(nèi)部流場的精確計算也變得越來越簡便可行[5]。目前沼氣學(xué)界應(yīng)用最廣的流體力學(xué)數(shù)值模擬工具是計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)。2002年，美國北卡羅萊納州立大學(xué)的弗雷明[6](JG Fleming)發(fā)表了題為《Novel simulation of anaerobic digestion using computational fluid dynamics》的博士學(xué)位論文，是第1篇系統(tǒng)論述利用CFD方法研究沼氣發(fā)酵料液混合攪拌流場形態(tài)的論文。此后，沼氣學(xué)界大量應(yīng)用該款成熟商業(yè)軟件，在流場形態(tài)的研究方面取得了極大進展。盡管由于攪拌提升沼氣發(fā)酵效率的根本機理尚不夠清楚，所以關(guān)于攪拌的具體方法，學(xué)界尚存一定爭議[7]。但是，利用CFD工具，研究人員可將攪拌所形成的流場可視化[8]，從而更加精確地驗證和指導(dǎo)攪拌方式的設(shè)計[9-10]，使沼氣料液攪拌領(lǐng)域的研究在很大程度上擺脫了不可視條件的束縛，提升至更科學(xué)、精準的可視化、數(shù)量化研究層面上來，是21世紀以來沼氣學(xué)界較為先進的一個研究方向[11]。

國內(nèi)外一些研究表明CFD可以較為精確地模擬出沼氣發(fā)酵料液的流場形態(tài)。Vesvikar模擬計算了料液的流向、平均流速、湍流動能、切應(yīng)力、粒子循環(huán)時間、氣體升流分布6個方面的數(shù)據(jù)，并用粒子示蹤法加以驗證，證明了CFD計算的結(jié)果是與事實相吻合的，表明CFD方法可以精確模擬料液流場形態(tài)[12]。在此前提下，Karim將合速度絕對值低于最高值5%的區(qū)域定義為“弱攪拌區(qū)(poorly mixing zone)”，并計算了某流場的弱攪拌區(qū)，評價了流場的優(yōu)劣，并初步指出影響弱攪拌區(qū)大小的因素[13]。Mehul S. Vesvikar用CFD試算了大量攪拌方案后，發(fā)現(xiàn)流場最差的情況下，弱攪拌區(qū)占罐體總體積的比例可以高達59.7%[14]，可見優(yōu)化潛力巨大。而吳斌鑫則將合速度絕對值低于0.001 m·s-1的區(qū)域定義為“死區(qū)(dead zone)”，并通過CFD模擬計算驗證了死區(qū)就是攪拌動能的死角，就算增大射流初速度，甚至將初速度增大到5.7 m·s-1這樣的極端情況，亦只能使非死區(qū)的動能更加充沛，卻并不能減少死區(qū)所占的空間[15]。這也提示了筆者，一味增加攪拌功率并不能改善流場形態(tài)，而只能通過優(yōu)化設(shè)計來改善。但就目前的研究進展來看，學(xué)界找到了一些利用CFD方法掌握流場形態(tài)的方法并用于研究，但在利用CFD改進沼氣工程設(shè)計的實踐應(yīng)用方面仍有較大欠缺[16]。

筆者試圖通過一次利用CFD方法模擬構(gòu)建沼氣厭氧發(fā)酵裝置流場形態(tài)，從而優(yōu)化設(shè)計攪拌流場的典型范例，闡述底部進水和分散式出口整流布水工藝對打破沼氣工程靜態(tài)發(fā)酵,重新構(gòu)造流場的作用，同時介紹利用CFD優(yōu)化設(shè)計沼氣發(fā)酵料液攪拌流場的步驟方法。

1 模擬對象與數(shù)學(xué)模型

1.1 模擬分析對象與條件

筆者首先構(gòu)建一個具有底部和側(cè)面兩個孔洞的閉式循環(huán)系統(tǒng)，通過泵提供動能，形成循環(huán)攪拌。由于本文研究對象僅限于沼氣發(fā)酵罐內(nèi)的料液部分，

不考慮氣體部分和閉式循環(huán)系統(tǒng)的其余部分，所以僅僅將1000 mm高的料液部分作為模擬計算的對象，所以模型簡化為1000 mm高的液柱和兩個直徑100 mm的圓形孔洞，如圖1所示。

1.循環(huán)管； 2.料液； 3.儲氣間； 4.導(dǎo)氣管； 5出水口； 6泵； 7.進水口圖1 沼氣發(fā)酵裝置閉式循環(huán)系統(tǒng)及其料液模型示意圖

沼氣發(fā)酵料液成分復(fù)雜，但多為低濃度溶液。Karim認為液體的粘性系數(shù)并不影響流態(tài)[17]，所以絕大多數(shù)料液包括固-液多相流的基本流場形態(tài)均是與純水流場相似的。筆者首先計算水在沼氣發(fā)酵裝置中的基本流態(tài)，用普通的水作為介質(zhì)，模擬說明各種沼氣發(fā)酵裝置中流體的基本流態(tài)，然后掌握其基本流場形態(tài)特征，作為罐體優(yōu)化設(shè)計的基本依據(jù)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于現(xiàn)階段模擬計算僅以水為介質(zhì)，所以采用單相流方法求解，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)

1.3 數(shù)值方法

采用控制容積法劃分網(wǎng)格，按每邊1000個網(wǎng)格設(shè)置，共生成3383839個網(wǎng)格，其網(wǎng)格模型如圖2所示。

2 速度入口方向的選擇

2.1 關(guān)于攪拌方式的選擇

根據(jù)邱凌[18]的研究，動態(tài)發(fā)酵比靜態(tài)發(fā)酵年均產(chǎn)氣量提高31.0%～72.4%。而根據(jù)楊浩、鄧良偉[19]等的研究綜述，說明業(yè)界已經(jīng)明確攪拌確實有利于沼氣發(fā)酵。但關(guān)于攪拌的方式尚存一定爭議，Khursheed Karim[20]比較了葉輪機械攪拌、水力攪拌和氣動攪拌3種方式，指出在低濃度下，不同攪拌方式對提升產(chǎn)氣率的效果均不明顯，但TS濃度(干物質(zhì)濃度)達到10%時，3種攪拌方式下的產(chǎn)氣率則分別比不攪拌高22%，29%和15%，說明水力攪拌或是最佳方式。而關(guān)于攪拌功率輸入的部位，則主要存在側(cè)插式攪拌和底部攪拌兩種爭議[21-22]。現(xiàn)將水力攪拌的水力速度入口分別設(shè)于側(cè)面和底部，用CFD模擬計算其流化效果，并進一步試算其優(yōu)化模型，以作比較分析。

2.2 側(cè)面進水，底部出水

設(shè)置邊界條件為入口速度1 m·s-1，并設(shè)置重力加速度為9.81 m·s-2，通過模擬結(jié)果圖3，圖4看，流速分布很不均勻，進水口和出水口之間的水力通路明顯，其余區(qū)域尤其是高位的流速則非常低。

圖3 側(cè)面進水y=0截面速度矢量圖

圖4 側(cè)面出水y=0截面速度矢量圖

圖5 側(cè)面進水z=0.2截面速度矢量圖

圖6 側(cè)面進水z=0.8截面速度矢量圖

截取高度為0.2 m和0.8 m的兩個截面作比較，通過圖5和圖6看，高位的流速遠遠小于低位。這可能是因為重力加速度指向初速度的垂直方向，所以加速度偏向非常嚴重。

2.3 底部進水，側(cè)面出水

轉(zhuǎn)換速度入口和壓力出口，即形成底部進水，側(cè)面出水的格局。邊界條件和重力加速度等操作條件與2.2相同。通過模擬結(jié)果圖7，圖8看，流速分布仍不是非常均勻，但比上一種攪拌方式有明顯提升，尤其是在位置較高的區(qū)域。

圖7 底部進水y=0截面速度矢量圖

圖8 底部進水x=0截面速度矢量圖

通過模擬結(jié)果圖9，圖10看，高度為0.2 m和0.8 m的兩個截面流速差距比上一種攪拌方式小很多，這可能是由于重力加速度指向初速度的豎直方向，所以沒有造成加速度嚴重偏向某一側(cè)方面。

2.4 底部進水是最佳攪拌方式

通過以上兩種進水方向的比較，顯見底部進水的方式下，整個區(qū)域的流場分布更均勻，攪拌的影響范圍更大?？梢娫谒嚢璧牟课贿x擇問題上，底部攪拌比側(cè)插式攪拌更優(yōu)。

圖9 底部進水z=0.2截面速度矢量圖

圖10 底部進水z=0.8截面速度矢量圖

3 壓力出口優(yōu)化設(shè)計

3.1 分散式出口設(shè)計

從前文的模擬結(jié)果看，進水口和出水口距離太近，容易形成短且單一的水力通路，導(dǎo)致料液滯留時間短，流化區(qū)域小，高于側(cè)面出水管的部分流速急劇降低，大部分區(qū)域速度接近于0，顯示未形成全區(qū)域的理想流化效果?？紤]改變設(shè)計，將出水管抬高至離底面0.8 m處，并設(shè)計4個出口，如此則有望在區(qū)域中形成多個流通環(huán)路，實現(xiàn)速度、壓力、分流量的再分配，如圖11所示。

1.循環(huán)管； 2.料液； 3.儲氣間； 4.導(dǎo)氣管； 5出水口； 6泵； 7.進水口圖11 高位分散式壓力出口設(shè)計方案示意圖

3.2 模擬優(yōu)化設(shè)計方案的基本流場

根據(jù)優(yōu)化的設(shè)計方案模擬底部進水方式的流場，仍采用控制容積法劃分網(wǎng)格，按每邊300個網(wǎng)格設(shè)置，共生成2921029個網(wǎng)格，其網(wǎng)格模型如圖12所示。

設(shè)置邊界條件為入口速度1m·s-1，設(shè)置重力加速度為9.81 m·s-2。通過模擬結(jié)果圖13，圖14看，優(yōu)化設(shè)計下，較高區(qū)域獲得的動能遠比原設(shè)計多，速度分布均勻得多。

而通過模擬結(jié)果圖15，圖16看，高度為0.8 m的截面流速比高度為0.2 m的截面更高，而且各自的分布都很均勻。這意味著大量的動能被輸送到高位，在實際工況中，不溶于水的發(fā)酵原料會被帶至高位，暫停攪拌時，原料會沿重力方向下沉[23]；重啟攪拌后又上升，如此反復(fù)，形成上下翻滾，極其有利于均勻混合，從而提升發(fā)酵效率[24]。

圖12 分散式出口模型的網(wǎng)格示意圖

圖13 分散式出口y=0剖面速度矢量圖

圖14 分散式出口x=0剖面速度矢量圖

圖15 分散式出口z=0.2速度矢量圖

圖16 分散式出口z=0.8截面速度矢量圖

4 結(jié)果與討論

筆者以1個小型沼氣發(fā)酵裝置為例，完整展示了利用CFD數(shù)值模擬可視化研究沼氣發(fā)酵料液流場形態(tài)，并以之為依據(jù)優(yōu)化設(shè)計罐體和攪拌形態(tài)的方法。在本算例中，筆者通過直觀可見的模擬流場形態(tài)分析，首先說明了底部進水相比側(cè)面進水的優(yōu)勢，闡明了進水加速度方向應(yīng)該逆重力方向的原理。其次通過分散式壓力出口與集中式壓力出口的流場分析，闡明了高位分散式壓力出口設(shè)計可以將動能擴散到更廣闊空間，從而優(yōu)化流場形態(tài)的原理。綜合以上改進步驟，便是一個沼氣發(fā)酵裝置流化方案的優(yōu)化設(shè)計過程，這應(yīng)該成為沼氣工程設(shè)計的主流方法，為廣大設(shè)計人員所掌握。

另一方面，沼氣發(fā)酵料液成分非常復(fù)雜，但以水為介質(zhì)的CFD模擬可以作為流場設(shè)計的基本依據(jù)，普遍適用于大多數(shù)液態(tài)發(fā)酵原料。一些以動物糞便為主要發(fā)酵原料的工況，可以將糞便原料處理成固體顆粒，與水形成固-液兩相流工況進行多相流模擬計算。但這種算法下液相的流場形態(tài)仍是與基本流場形態(tài)高度相似的[17]，而且改變攪拌參數(shù)也只影響固相的流動形態(tài)，對液相的影響并不大[25]，所以掌握以水為介質(zhì)的單相流模擬結(jié)果，就在很大程度上掌握了這種罐型和流化方案的基本流場形態(tài)，對優(yōu)化設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。即便該沼氣發(fā)酵裝置改變工況，采用不同的發(fā)酵原料，其基本流場仍在設(shè)計人員的掌握中，可以根據(jù)原料流變特性有依據(jù)地調(diào)整流化方案。所以，在工程設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該首先充分利用CFD方法掌握以水為介質(zhì)的基本流場形態(tài)，才能以此為依據(jù)，進行優(yōu)化設(shè)計，但目前CFD方法還較多地停留在科研領(lǐng)域，在工程設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用太少，這正是沼氣行業(yè)亟待加強的一個方面。

在下一步工作中，筆者還將進一步介紹各種復(fù)雜多相流流場形態(tài)的分析及其優(yōu)化方法，為更多更復(fù)雜發(fā)酵原料的工藝提供指導(dǎo)。

5 結(jié)論

水力攪拌時，若速度入口與重力方向形成較大夾角(如垂直)，則加速度偏向一側(cè)，導(dǎo)致流場分布不均，所以應(yīng)該使速度入口盡量與重力方向相反，這樣既避免加速度偏向一側(cè)，又可以借助重力在攪拌的時間間歇形成上下翻滾。

傳統(tǒng)設(shè)計理念中，為方便出渣，出渣管往往設(shè)計得很低，接近發(fā)酵罐底部。但在水力攪拌條件下，壓力出口應(yīng)該設(shè)計得盡量高，才有利于避免過短的水力通路，擴大水力攪拌的影響范圍，促進全區(qū)域的充分均勻混合。

設(shè)計多個出渣口，實際形成多個壓力出口，可在發(fā)酵罐內(nèi)部形成多個流通環(huán)路，并相互交叉，實現(xiàn)流速、壓力、分流量的再分配，極大優(yōu)化罐內(nèi)的流場形態(tài)。

CFD數(shù)值模擬方法可以將肉眼不可見的流場形態(tài)用圖形展示，可以讓設(shè)計人員在一定程度上掌握流場，從而幫助優(yōu)化設(shè)計攪拌，應(yīng)成為沼氣工程流場設(shè)計的主流方法。

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