中國生物工程學會會刊 ? ? 創刊于2005年

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葉片結構對跑道池式光生物反應器功耗及混合性能影響的數值模擬

作者 林博,吳晶
作者單位 華中科技大學能源與動力工程學院,武漢 430074
摘要 跑道池式光生物反應器中的葉輪葉片形狀對于藻液的混合效果和反應器的功耗有很大的影響,利用計算流 體力學方法對某后折型葉片的結構參數進行了優化,首先通過流動模擬的結果和
關鍵詞 計算流體力學,跑道池式光生物反應器,優化,響應
DOI 10.3969/j.issn.1674-0319.2017.02.012
Abstract The shapes of impeller’s blades have great infl uences on the mixing effect of the algae medium and power consumption in the runway pond. In this paper, Computational Fluid Dynamics(CFD)was exploited to optimize the structure parameters of a back-curved blade. The numerical method and model was verifi ed by comparing the simulation results and the existed experimental results. Then the infl uence of two structural parameters of the blades i.e. bending ratio(L1/L2)and bending angle(α)on the mixing performance per power consumption(η)of this reactor in the light gradient direction was comprehensively analyzed by Response Surface Method(RSM). The results showed that η gained the maximum value when L1/L2 was 1 and α was 90 degree, in other words, with these two values of the structure parameters, when the runway pond was inputted a certain power, the mixing performance of the algae medium inside the reactor was the best in the light gradient direction. The value of η increased to 2.64 times than that of the reactor with original structure parameters of blades.
Key Words CFD; runway pond; optimization; RSM; structure parameters of blade; mixing performance
通訊作者 吳晶,副教授。主要研究方向為微藻培養條件的控制、 光生物反應器優化以及微藻能源經濟性評價。E-mail:[email protected] gmail.com
前言段部分

隨著全球能源短缺問題的日益嚴峻,人類現代 化的發展所導致的環境惡化狀況的加深,清潔、可 再生型資源逐漸成為未來新能源的主角,微藻作為 可再生生物質能源,近年來受到廣泛關注。與其他 生物質材料相比,能源微藻具有光合作用效率高、 含油量高和生長周期短的優點[1]。微藻產業正處于發 展階段,相信隨著微藻大規模培養等技術被攻克, 與微藻相關的產品將會全面融入到日常生活中。

目前,微藻培養所使用的光生物反應器分為開 放式和封閉式。跑道池式光生物反應器作為開放式 光生物反應器,是最古老的藻類培養反應器,且一 直沿用至今。跑道池式光生物反應器最突出的優點, 一是構件簡單、成本較低及操作簡便;二是培養微 藻時可以吸收空氣中的CO2,大大地節省了生產過 程中CO2 作為微藻生長最主要原料所需的費用。然 而研究表明,在很多情況下,跑道池式光生物反應器 存在著混合性能不佳、微藻培養過程中功耗大等缺點, 這制約了反應器在大規模培養微藻過程中的應用,因 為培養液和微藻若無法進行有效的混合,會惡化微藻 的生長條件(如降低光利用率,降低藻細胞與培養液 之間營養物和代謝物的交換速率,阻礙O2 的排出, 導致微藻細胞的沉降等),并最終降低微藻的培養效 率及其單位面積或單位體積的產量[2-4]。

為了改善跑道池式光生物反應器中藻細胞與培 養液之間的混合效果,需要對反應器進行優化設計。 近年來,隨著計算機技術的快速發展,計算流體力 學(CFD)技術憑借其適應性強、應用面廣、靈活性強、 不受物理模型和實驗模型的限制、省錢省時等優點, 已經廣泛應用于各類生物反應器的設計和研究[5-6]。 在環式、柱式和管式反應器方面,前人已做了很多 的工作,例如,Pruvost 等[7]運用CFD 技術對圓環形 光生物反應器的內部流場進行了模擬,并通過改變葉 輪形式優化反應器內的混合效果,并應用PIV 技術 驗證了模擬結果的準確性;Luo 等[8]采用不同的CFD 計算模型和CARPT(computer automated radioactive particle tracking)實驗測量方法對柱狀氣升式反應器 中的流體流動特性進行了研究;Wu 等[9]運用CFD 技術對一系列的螺旋管式光生物反應器的混合效果進行 了模擬計算研究。在跑道池式光生物反應器的模擬研 究方面,也有學者采用CFD技術做了相關研究,例如, Huang 等[10]運用CFD 模擬方法對反應器底部擋板進 行了優化設計,同時采用PIV 技術對模擬結果進行了 驗證;Ali 等[11]采用CFD 技術中的粒子追蹤方法對反 應器的混合特性進行了研究。在跑道池式光生物反應 器的實驗研究方面,Li 等[12]在相同藻液深度和葉輪 轉速的情況下,選取4 種葉片形狀(平板型、鋸齒型、 前折型和后折型),通過測量這4 種不同形狀葉片的 耗功值,發現后折型葉片的功耗值最小,但并沒有對 反應器的混合性能進行討論。如前所述,混合是光生 物反應器設計者所需考慮的重要因素之一,因此,以 文獻[12] 中使用的反應器和功耗最小的后折型葉片為 研究對象,采用CFD 方法對此后折型葉輪葉片的兩 個主要參數(葉片彎折比L1/L2 和葉片彎折角α)進行 優化,以進一步提高此反應器單位功耗的混合性能。

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引用文本 引用格式 [1]林博,吳晶.葉片結構對跑道池式光生物反應器功耗及混合性能影響的數值模擬[J].生物產業技術,2017,2:94-101.
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作者
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作者單位
華中科技大學能源與動力工程學院,武漢 430074
摘要:
跑道池式光生物反應器中的葉輪葉片形狀對于藻液的混合效果和反應器的功耗有很大的影響,利用計算流 體力學方法對某后折型葉片的結構參數進行了優化,首先通過流動模擬的結果和
關鍵詞
計算流體力學,跑道池式光生物反應器,優化,響應
DOI
10.3969/j.issn.1674-0319.2017.02.012
Abstract
The shapes of impeller’s blades have great infl uences on the mixing effect of the algae medium and power consumption in the runway pond. In this paper, Computational Fluid Dynamics(CFD)was exploited to optimize the structure parameters of a back-curved blade. The numerical method and model was verifi ed by comparing the simulation results and the existed experimental results. Then the infl uence of two structural parameters of the blades i.e. bending ratio(L1/L2)and bending angle(α)on the mixing performance per power consumption(η)of this reactor in the light gradient direction was comprehensively analyzed by Response Surface Method(RSM). The results showed that η gained the maximum value when L1/L2 was 1 and α was 90 degree, in other words, with these two values of the structure parameters, when the runway pond was inputted a certain power, the mixing performance of the algae medium inside the reactor was the best in the light gradient direction. The value of η increased to 2.64 times than that of the reactor with original structure parameters of blades.
Key Words
CFD; runway pond; optimization; RSM; structure parameters of blade; mixing performance
通訊作者
吳晶,副教授。主要研究方向為微藻培養條件的控制、 光生物反應器優化以及微藻能源經濟性評價。E-mail:[email protected] gmail.com
前言段部分

隨著全球能源短缺問題的日益嚴峻,人類現代 化的發展所導致的環境惡化狀況的加深,清潔、可 再生型資源逐漸成為未來新能源的主角,微藻作為 可再生生物質能源,近年來受到廣泛關注。與其他 生物質材料相比,能源微藻具有光合作用效率高、 含油量高和生長周期短的優點[1]。微藻產業正處于發 展階段,相信隨著微藻大規模培養等技術被攻克, 與微藻相關的產品將會全面融入到日常生活中。

目前,微藻培養所使用的光生物反應器分為開 放式和封閉式。跑道池式光生物反應器作為開放式 光生物反應器,是最古老的藻類培養反應器,且一 直沿用至今。跑道池式光生物反應器最突出的優點, 一是構件簡單、成本較低及操作簡便;二是培養微 藻時可以吸收空氣中的CO2,大大地節省了生產過 程中CO2 作為微藻生長最主要原料所需的費用。然 而研究表明,在很多情況下,跑道池式光生物反應器 存在著混合性能不佳、微藻培養過程中功耗大等缺點, 這制約了反應器在大規模培養微藻過程中的應用,因 為培養液和微藻若無法進行有效的混合,會惡化微藻 的生長條件(如降低光利用率,降低藻細胞與培養液 之間營養物和代謝物的交換速率,阻礙O2 的排出, 導致微藻細胞的沉降等),并最終降低微藻的培養效 率及其單位面積或單位體積的產量[2-4]。

為了改善跑道池式光生物反應器中藻細胞與培 養液之間的混合效果,需要對反應器進行優化設計。 近年來,隨著計算機技術的快速發展,計算流體力 學(CFD)技術憑借其適應性強、應用面廣、靈活性強、 不受物理模型和實驗模型的限制、省錢省時等優點, 已經廣泛應用于各類生物反應器的設計和研究[5-6]。 在環式、柱式和管式反應器方面,前人已做了很多 的工作,例如,Pruvost 等[7]運用CFD 技術對圓環形 光生物反應器的內部流場進行了模擬,并通過改變葉 輪形式優化反應器內的混合效果,并應用PIV 技術 驗證了模擬結果的準確性;Luo 等[8]采用不同的CFD 計算模型和CARPT(computer automated radioactive particle tracking)實驗測量方法對柱狀氣升式反應器 中的流體流動特性進行了研究;Wu 等[9]運用CFD 技術對一系列的螺旋管式光生物反應器的混合效果進行 了模擬計算研究。在跑道池式光生物反應器的模擬研 究方面,也有學者采用CFD技術做了相關研究,例如, Huang 等[10]運用CFD 模擬方法對反應器底部擋板進 行了優化設計,同時采用PIV 技術對模擬結果進行了 驗證;Ali 等[11]采用CFD 技術中的粒子追蹤方法對反 應器的混合特性進行了研究。在跑道池式光生物反應 器的實驗研究方面,Li 等[12]在相同藻液深度和葉輪 轉速的情況下,選取4 種葉片形狀(平板型、鋸齒型、 前折型和后折型),通過測量這4 種不同形狀葉片的 耗功值,發現后折型葉片的功耗值最小,但并沒有對 反應器的混合性能進行討論。如前所述,混合是光生 物反應器設計者所需考慮的重要因素之一,因此,以 文獻[12] 中使用的反應器和功耗最小的后折型葉片為 研究對象,采用CFD 方法對此后折型葉輪葉片的兩 個主要參數(葉片彎折比L1/L2 和葉片彎折角α)進行 優化,以進一步提高此反應器單位功耗的混合性能。

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引用格式 [1]林博,吳晶.葉片結構對跑道池式光生物反應器功耗及混合性能影響的數值模擬[J].生物產業技術,2017,2:94-101.
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