學(xué)術(shù)會(huì) 1，2（1.華技大學(xué)中歐清潔與可再生能源學(xué)院，（2.華技大學(xué)能源與動(dòng)力，( , 摘要本文首次將用于封閉管式微藻反應(yīng)器的靜態(tài)混合器引入敞開式跑道池中，以加強(qiáng)藻液在光梯度方向上的擾動(dòng)程度，并基于CFD技術(shù)對(duì)混合器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先通過對(duì)比藻液流動(dòng)的數(shù)值結(jié)果和前人方向上的速度增加得更為顯著，特別是在混合區(qū)，光梯度方向擾動(dòng)的強(qiáng)化效率可大于7，有利于促進(jìn)藻液的生長(zhǎng)，但是在非混合區(qū)，光梯度方向擾動(dòng)的強(qiáng)化效率并不高（小于1）。在保持蹼輪轉(zhuǎn)速不變的情況下，改達(dá)到14.531.56，法在其中部通入CO2來保證下行和上行流體都能全面接觸CO2，氣泡的形式不僅可以提 用性被量地運(yùn)于不同類的光物應(yīng)器的設(shè)優(yōu)化上7]孔[8提出D流場(chǎng)的影響；等9]將此反應(yīng)器的跑道部設(shè)成V字型，采用D技術(shù)模不同傾斜方向的合程度uan等[0]用D術(shù)模擬跑道添加擋板彎道處I（rceageeocyadr等[1]通過D中的粒子追蹤法模擬微藻混合狀態(tài)，根據(jù)混合長(zhǎng)度和滯留時(shí)間來判斷微藻的eng[2]DV模擬過程所使用的跑道池式光生物反應(yīng)器長(zhǎng)度為2.4m，寬度為1m，高度為0.2m，在靠1a、b、c、d、e5個(gè)點(diǎn)分布在跑道池內(nèi)方便進(jìn)行流體速度混合器葉片結(jié)構(gòu)為SK型靜態(tài)混合器4個(gè)扭轉(zhuǎn)180度（從11）的長(zhǎng)寬比為2的90度連續(xù)排列[16]，葉片寬度L1=0.1mL2=0.2m2所SK（11模型結(jié)構(gòu)示意圖，a-e為流體測(cè)速點(diǎn)（2混合器葉片模型CFD選用軟件ANSYSICEM14.0劃分網(wǎng)格，在蹼輪周圍的區(qū)域以及混合器葉片區(qū)采用四面網(wǎng)格交界處，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)合并，完成整個(gè)反應(yīng)器的網(wǎng)格劃分。其中總網(wǎng)格數(shù)為，動(dòng)態(tài)區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為3所示。3網(wǎng)格示意圖k-εScalableWallFunction函數(shù)，利用滑移網(wǎng)格法來耦合葉片周圍的動(dòng)區(qū)和靜區(qū)，動(dòng)靜區(qū)接觸面設(shè)置為Interface，葉片設(shè)置為RANS等式（Reynolds平104，屬于湍流，普通的湍流方程（N-S方程）可以求解這種N-SRANS3個(gè)未知量，為了[7]，????+??????(????)= 壓縮流體，密度ρ為常數(shù)，U為流體速度，則式（1）可簡(jiǎn)化為??????(??)= ??(????)+???(??????)=?????+???[??(????+??????]+????+ 其中，p??、f分別為流體的壓力、動(dòng)力粘度系數(shù)以及兩相流體間的質(zhì)量力，f在本文湍流動(dòng)能方程（k方程??(????)+??(??????)=???[(??+????)????]+

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=???[(??+??)????]+??(????1?????????2研究表明[22]，在不考慮流體換熱和低流速的情況下，VOF模型可以清楚模擬流VOF模型。????=

∑∑

???=

i其中，???表示跑道池模型中單個(gè)網(wǎng)格的體積分?jǐn)?shù)，Vz（m/s）表示單個(gè)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)流體在垂i ?????? 流體在跑道池式反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)其面??1即為出口面??2，???=?????????是反應(yīng)??=????? ??=??

222

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+

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其中，???Vz表示添加了混合器后光梯度方向上速度ICEM對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為了避免網(wǎng)格數(shù)量的差別而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)為，和。不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)應(yīng)的藻液流速如表所示。1不同網(wǎng)格數(shù)下的誤差對(duì)

（粗網(wǎng)格 （細(xì)網(wǎng)格流速 誤差 4CFD模擬得到微藻10rpm的條件下，添加混合器后的藻液合速4（b）所示。 4（a）Vz（b）合速度對(duì)比圖（葉輪轉(zhuǎn)速為55跑道池式光生物反應(yīng)器混合區(qū)和非混合區(qū)的定義（箭頭方向?yàn)樵逡毫鲃?dòng)方向圖6有混合器的Vz云圖（單位 圖7無混合器的Vz云圖（單位（上：截面1下：截面 （上：截面1下：截面器的情況，4個(gè)橫縱交錯(cuò)連續(xù)排列的混合器葉片使混合區(qū)的Vz551.7%，功耗增加了m/s0.35。學(xué)者Yang[26]為了提高跑道池內(nèi)光梯度方向上的速度，在反應(yīng)器內(nèi)添加了上下傾斜的擋10RPM75%，Yang等人的結(jié)果，??× ??× 功耗 構(gòu)）；290度排列；2500mm排列；2個(gè)縱向葉片間隔500mm排列；290500mmCFD模擬得到以上不同圖9給出了上述5種排列方式所對(duì)應(yīng)的光梯度方向速度Vz和功耗W。數(shù)字標(biāo)號(hào)0為未添加混合器的情況。從圖9a）（無論哪種排列方式，均使得混合VzVz如編號(hào)為和5的混合器（圖（b，Vz2Vz（b11給出了5ηη達(dá)到14.53η達(dá)到1.568所示的52種排列方式的強(qiáng)化效果最好需要的是，于編為4和5的混合器使非混合區(qū)Vz減小， 80

4功耗功耗210 9（a）9η8η76543210- 10混合器不同排列方式在反應(yīng)器不同流域的強(qiáng)化效劉永平.海藻生物開發(fā)的進(jìn)展[J].中外能源,2009,14(9):31-BorowitzkaMA,MoheimaniNR.AlgaeforBiofuelsandEnergy[M].2013:265-BitogJP,LeeIB,LeeCG,KimKS,HwangHS,HongSW,SeoIH,KwonKS,MostafaE.Applicationofcomputationalfluiddynamicsformodelinganddesigningphotobioreactorsformicroalgaeproduction:Areview[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2011,76(2):131-147.KetheesanB,NirmalakhandanN.Developmentofanewairlift-drivenracewayreactorforalgalcultivation[J].AppliedEnergy,2011,88(10):3370-3376.MengC,HuangJ,YeC,ChengW,ChenJ,LiY.ComparingtheperformancesofcircularpondswithdifferentimpellersbyCFDsimulationandmicroalgaecultureexperiments[J].BioprocessBiosystEng,2015,38(7):1347-1363.ZhangQ,XueS,YanC,WuX,WenS,CongW.Installationofflowdeflectorsandwingbafflestoreducedeadzoneandenhanceflashinglighteffectinanopenracewaypond[J].BioresourceTechnology,2015,198(1):150-156..計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用[M].,2004:7-孔,,.能源微藻敞開式光生物反應(yīng)器增設(shè)內(nèi)構(gòu)件CFD研究[J].化工進(jìn)展,2010,29(s1):107-112.,,鐘水庫(kù),,曾威,.加V形導(dǎo)流槽的跑道式藻池CFD模擬[J].化工進(jìn)展,2013,(08):1759-1764.HuangJ,QuX,WanM,YingJ,LiY,ZhuF,WangJ,ShenG,ChenJ,LiW.InvestigationontheperformanceofracewaypondswithinternalstructuresbythemeansofCFDsimulationsandexperiments[J].AlgalResearch,2015,10:64-71.AliH,CheemaTA,YoonHS,DoY,ParkCW.Numericalpredictionofalgaecellmixingfeatureinracewaypondsusingparticletracingmethods[J].Biotechnology&Bioengineering,2015,112(2):297-ZengF,HuangJ,MengC,ZhuF,ChenJ,LiY.Investigationonnovelracewaypondwithinclinedpaddlewheelsthroughsimulationandmicroalgaecultureexperiments[J].BioprocessBiosystEng,2016,39(1):169-180.ChengW,HuangJ,ChenJ.Computationalfluiddynamicssimulationofmixingcharacteristicsandlightregimeintubularphotobioreactorswithnovelstaticmixers[J].JournalofChemicalTechnology&Biotechnology,2016,91(2):327-335.Perner-NochtaI,PostenC.Simulationsoflightintensityvariationinphotobioreactors[J].JBiotechnol,2007,131(3):276-285.ZhangQ,WuX,XueS,LiangK,CongW.Studyofhydrodynamiccharacteristicsintubularphotobioreactors[J].BioprocessBiosystEng,2013,36(2):143-150.葉旭東,,.基于FLUENT的SK型靜態(tài)混合器的數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代制造工程2006,(3):74-ReddyR,BanerjeeR.GPUacceleratedVOFbasedmultiphaseflowsolveranditsapplicationtosprays[J].Computers&Fluids,2015,117:287-303..FLUENT與進(jìn)階[M].理工大學(xué),SongH-S,HanSP.AgeneralcorrelationforpressuredropinaKenicsstaticmixer[J].ChemicalEngineeringScience,2005,60(21):5696-5704..對(duì)流傳遞過程的不可逆性及其優(yōu)化[D]:,張.流體力學(xué)(第2版)[M].,2006.HirtCW,NicholsBD.Volumeoffluid(VOF)methodforthedynamicsofboundaries☆[J].JournalofComputationalPhysics,1981,39(1):201-225.林博,.葉片結(jié)構(gòu)對(duì)跑道池式光生物反應(yīng)器功耗及混合性能影響的數(shù)值模擬[J].生物產(chǎn)業(yè)技術(shù),2017,(02):94-101.PruvostJ,PottierL,LegrandJ.Numericalinvestigationofhydrodynamicandmixingconditionsinatorusphotobioreactor[J].ChemicalEngineeringScience,2006,61(14):4476-4489.PuttR,SinghM,ChinnasamyS,DasKC.Anefficientsystemforcarbonationofhigh-ratealgaepondwatertoenhanceCO2masstransfer[J].BioresourceTechnology,2011,102(3):3240-3245.YangZ,ChengJ,YeQ,LiuJ,ZhouJ,CenK.Decreaseinlight/darkcycleofmicroalgalcellswithcomputationalfluiddynamicssimul