中国生物工程学会会刊     创刊于2005年

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叶片结构对跑道池式光生物反应器功耗及混合性能影响的数值模拟

作者 林博,吴晶
作者单位 华中科技大学能源与动力工程学院,武汉 430074
摘要 跑道池式光生物反应器中的叶轮叶片形状对于藻液的混合效果和反应器的功耗有很大的影响,利用计算流 体力学方法对某后折型叶片的结构参数进行了优化,首先通过流动模拟的结果和
关键词 计算流体力学,跑道池式光生物反应器,优化,响应
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
通讯作者 吴晶,副教授。主要研究方向为微藻培养条件的控制、 光生物反应器优化以及微藻能源经济性评价。E-mail:jingwu12@ gmail.com
前言段部分

随着全球能源短缺问题的日益严峻,人类现代 化的发展所导致的环境恶化状况的加深,清洁、可 再生型资源逐渐成为未来新能源的主角,微藻作为 可再生生物质能源,近年来受到广泛关注。与其他 生物质材料相比,能源微藻具有光合作用效率高、 含油量高和生长周期短的优点[1]。微藻产业正处于发 展阶段,相信随着微藻大规模培养等技术被攻克, 与微藻相关的产品将会全面融入到日常生活中。

目前,微藻培养所使用的光生物反应器分为开 放式和封闭式。跑道池式光生物反应器作为开放式 光生物反应器,是最古老的藻类培养反应器,且一 直沿用至今。跑道池式光生物反应器最突出的优点, 一是构件简单、成本较低及操作简便;二是培养微 藻时可以吸收空气中的CO2,大大地节省了生产过 程中CO2 作为微藻生长最主要原料所需的费用。然 而研究表明,在很多情况下,跑道池式光生物反应器 存在着混合性能不佳、微藻培养过程中功耗大等缺点, 这制约了反应器在大规模培养微藻过程中的应用,因 为培养液和微藻若无法进行有效的混合,会恶化微藻 的生长条件(如降低光利用率,降低藻细胞与培养液 之间营养物和代谢物的交换速率,阻碍O2 的排出, 导致微藻细胞的沉降等),并最终降低微藻的培养效 率及其单位面积或单位体积的产量[2-4]。

为了改善跑道池式光生物反应器中藻细胞与培 养液之间的混合效果,需要对反应器进行优化设计。 近年来,随着计算机技术的快速发展,计算流体力 学(CFD)技术凭借其适应性强、应用面广、灵活性强、 不受物理模型和实验模型的限制、省钱省时等优点, 已经广泛应用于各类生物反应器的设计和研究[5-6]。 在环式、柱式和管式反应器方面,前人已做了很多 的工作,例如,Pruvost 等[7]运用CFD 技术对圆环形 光生物反应器的内部流场进行了模拟,并通过改变叶 轮形式优化反应器内的混合效果,并应用PIV 技术 验证了模拟结果的准确性;Luo 等[8]采用不同的CFD 计算模型和CARPT(computer automated radioactive particle tracking)实验测量方法对柱状气升式反应器 中的流体流动特性进行了研究;Wu 等[9]运用CFD 技术对一系列的螺旋管式光生物反应器的混合效果进行 了模拟计算研究。在跑道池式光生物反应器的模拟研 究方面,也有学者采用CFD技术做了相关研究,例如, Huang 等[10]运用CFD 模拟方法对反应器底部挡板进 行了优化设计,同时采用PIV 技术对模拟结果进行了 验证;Ali 等[11]采用CFD 技术中的粒子追踪方法对反 应器的混合特性进行了研究。在跑道池式光生物反应 器的实验研究方面,Li 等[12]在相同藻液深度和叶轮 转速的情况下,选取4 种叶片形状(平板型、锯齿型、 前折型和后折型),通过测量这4 种不同形状叶片的 耗功值,发现后折型叶片的功耗值最小,但并没有对 反应器的混合性能进行讨论。如前所述,混合是光生 物反应器设计者所需考虑的重要因素之一,因此,以 文献[12] 中使用的反应器和功耗最小的后折型叶片为 研究对象,采用CFD 方法对此后折型叶轮叶片的两 个主要参数(叶片弯折比L1/L2 和叶片弯折角α)进行 优化,以进一步提高此反应器单位功耗的混合性能。

正文

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引用文本 引用格式 [1]林博,吴晶.叶片结构对跑道池式光生物反应器功耗及混合性能影响的数值模拟[J].生物产业技术,2017,2:94-101.
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作者
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作者单位
华中科技大学能源与动力工程学院,武汉 430074
摘要:
跑道池式光生物反应器中的叶轮叶片形状对于藻液的混合效果和反应器的功耗有很大的影响,利用计算流 体力学方法对某后折型叶片的结构参数进行了优化,首先通过流动模拟的结果和
关键词
计算流体力学,跑道池式光生物反应器,优化,响应
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
通讯作者
吴晶,副教授。主要研究方向为微藻培养条件的控制、 光生物反应器优化以及微藻能源经济性评价。E-mail:jingwu12@ gmail.com
前言段部分

随着全球能源短缺问题的日益严峻,人类现代 化的发展所导致的环境恶化状况的加深,清洁、可 再生型资源逐渐成为未来新能源的主角,微藻作为 可再生生物质能源,近年来受到广泛关注。与其他 生物质材料相比,能源微藻具有光合作用效率高、 含油量高和生长周期短的优点[1]。微藻产业正处于发 展阶段,相信随着微藻大规模培养等技术被攻克, 与微藻相关的产品将会全面融入到日常生活中。

目前,微藻培养所使用的光生物反应器分为开 放式和封闭式。跑道池式光生物反应器作为开放式 光生物反应器,是最古老的藻类培养反应器,且一 直沿用至今。跑道池式光生物反应器最突出的优点, 一是构件简单、成本较低及操作简便;二是培养微 藻时可以吸收空气中的CO2,大大地节省了生产过 程中CO2 作为微藻生长最主要原料所需的费用。然 而研究表明,在很多情况下,跑道池式光生物反应器 存在着混合性能不佳、微藻培养过程中功耗大等缺点, 这制约了反应器在大规模培养微藻过程中的应用,因 为培养液和微藻若无法进行有效的混合,会恶化微藻 的生长条件(如降低光利用率,降低藻细胞与培养液 之间营养物和代谢物的交换速率,阻碍O2 的排出, 导致微藻细胞的沉降等),并最终降低微藻的培养效 率及其单位面积或单位体积的产量[2-4]。

为了改善跑道池式光生物反应器中藻细胞与培 养液之间的混合效果,需要对反应器进行优化设计。 近年来,随着计算机技术的快速发展,计算流体力 学(CFD)技术凭借其适应性强、应用面广、灵活性强、 不受物理模型和实验模型的限制、省钱省时等优点, 已经广泛应用于各类生物反应器的设计和研究[5-6]。 在环式、柱式和管式反应器方面,前人已做了很多 的工作,例如,Pruvost 等[7]运用CFD 技术对圆环形 光生物反应器的内部流场进行了模拟,并通过改变叶 轮形式优化反应器内的混合效果,并应用PIV 技术 验证了模拟结果的准确性;Luo 等[8]采用不同的CFD 计算模型和CARPT(computer automated radioactive particle tracking)实验测量方法对柱状气升式反应器 中的流体流动特性进行了研究;Wu 等[9]运用CFD 技术对一系列的螺旋管式光生物反应器的混合效果进行 了模拟计算研究。在跑道池式光生物反应器的模拟研 究方面,也有学者采用CFD技术做了相关研究,例如, Huang 等[10]运用CFD 模拟方法对反应器底部挡板进 行了优化设计,同时采用PIV 技术对模拟结果进行了 验证;Ali 等[11]采用CFD 技术中的粒子追踪方法对反 应器的混合特性进行了研究。在跑道池式光生物反应 器的实验研究方面,Li 等[12]在相同藻液深度和叶轮 转速的情况下,选取4 种叶片形状(平板型、锯齿型、 前折型和后折型),通过测量这4 种不同形状叶片的 耗功值,发现后折型叶片的功耗值最小,但并没有对 反应器的混合性能进行讨论。如前所述,混合是光生 物反应器设计者所需考虑的重要因素之一,因此,以 文献[12] 中使用的反应器和功耗最小的后折型叶片为 研究对象,采用CFD 方法对此后折型叶轮叶片的两 个主要参数(叶片弯折比L1/L2 和叶片弯折角α)进行 优化,以进一步提高此反应器单位功耗的混合性能。

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引用格式 [1]林博,吴晶.叶片结构对跑道池式光生物反应器功耗及混合性能影响的数值模拟[J].生物产业技术,2017,2:94-101.