沼氣發(fā)酵罐內(nèi)攪拌混合過程試驗(yàn)及CFD模擬研究

【摘要】：根據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求,新能源開發(fā)成為必然發(fā)展趨勢(shì),在可再生能源中,沼氣尤其具有發(fā)展?jié)摿?。沼氣發(fā)酵是一種能夠?qū)⑽廴緩U棄物變?yōu)闈崈裟茉吹募夹g(shù),沼氣生產(chǎn)工藝和技術(shù)研究的重要性因此受到越來越多的關(guān)注。沼氣生產(chǎn)工藝過程中,由于發(fā)酵菌種需同發(fā)酵原料充分接觸,沼氣產(chǎn)量才會(huì)得到保證,于是攪拌在發(fā)酵的過程中起到非常重要的作用。以往對(duì)沼氣攪拌裝置的選用都是參考其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并沒有針對(duì)沼氣產(chǎn)氣特性的配套裝置,本研究基于沼氣發(fā)酵技術(shù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需要,對(duì)沼氣發(fā)酵攪拌裝置進(jìn)行探索性研究。 隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展,CFD數(shù)值模擬技術(shù)在攪拌裝置中的應(yīng)用越來越廣泛,沼氣發(fā)酵原料組成成分復(fù)雜,但影響混合攪拌過程的物理特性主要是流變特性及密度,經(jīng)過研究表明畜禽糞便原料流變特性為假塑性流體,當(dāng)其濃度低時(shí)也可近似于牛頓流體,因此本文將對(duì)研究物系設(shè)置為固體顆?！畠上囿w系,固體濃度為8%,顆粒平均直徑設(shè)為0.63mm,粘度設(shè)為165.99mPa·s,密度ρ=1.2g/cm3。 本文從試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)角度對(duì)沼氣攪拌裝置進(jìn)行研究,試驗(yàn)部分通過對(duì)無攪拌、二層槳攪拌、三層槳攪拌三種沼氣發(fā)酵效果進(jìn)行了對(duì)比研究,得出攪拌在沼氣發(fā)酵過程中起到的作用；通過CFD數(shù)值模擬技術(shù)模擬出相應(yīng)攪拌槳攪拌過程的流體流場(chǎng)的分布狀況,采用Fluent軟件,應(yīng)用Eulerian-Eulerian兩流體理論建立描述攪拌罐內(nèi)液-固兩相流的數(shù)學(xué)模型,采用標(biāo)準(zhǔn)κ—ε兩相湍流模型對(duì)體系湍流特性進(jìn)行描述,用多重參考系法對(duì)攪拌罐內(nèi)液-固兩相流的流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行三維全流場(chǎng)數(shù)值模擬,然后將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比,確定數(shù)值模擬技術(shù)在沼氣攪拌裝置研究中的可行性,在此基礎(chǔ)上對(duì)沼氣攪拌裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,從不同攪拌層攪拌槳和不同離底高度兩個(gè)方面對(duì)攪拌裝置進(jìn)行分析研究。本文的主要研究成果包括： (1)本研究通過對(duì)無攪拌、二、三層攪拌槳攪拌三組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果顯示二、三層攪拌槳攪拌裝置產(chǎn)氣量要比無攪拌都要高出20%以上,試驗(yàn)中三層槳攪拌裝置產(chǎn)氣效果最好。 (2)通過對(duì)試驗(yàn)研究與模擬研究的對(duì)比分析,試驗(yàn)產(chǎn)氣量對(duì)比結(jié)果與數(shù)值模擬流場(chǎng)分布效果具有一致性,說明應(yīng)用CFD模擬技術(shù)在沼氣發(fā)酵的原料攪拌過程中具有可行性。 (3)在攪拌槳層及槳葉離底高度對(duì)攪拌效果影響研究中,通過對(duì)一層槳,二層槳及三層槳攪拌過程中流體速度場(chǎng)的分析,得出三種攪拌槳對(duì)攪拌裝置內(nèi)流體流動(dòng)速度分布都具有影響,不同程度起到均勻混合的目的,三種攪拌槳中三層槳攪拌裝置攪拌效果較好,在攪拌裝置直徑與料液高度均為200mm的情況下,離底高度值為40mm時(shí)攪拌效果最佳。 【關(guān)鍵詞】：沼氣發(fā)酵 CFD 攪拌槳 混合
【學(xué)位授予單位】：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：S216.4
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-14
• 1.1 課題研究背景及意義9-10
• 1.2 國內(nèi)外CFD沼氣發(fā)酵攪拌裝置研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀11-12
• 1.3 研究?jī)?nèi)容12-13
• 1.4 研究方法13-14
• 第二章 沼氣發(fā)酵攪拌裝置數(shù)學(xué)模型建立的數(shù)值理論和方法14-23
• 2.1 攪拌裝置數(shù)值模擬研究方法——CFD14-17
• 2.1.1 CFD技術(shù)簡(jiǎn)介14-15
• 2.1.2 CFD應(yīng)用于攪拌槽中的研究歷史和發(fā)展過程15-16
• 2.1.3 CFD模擬研究的一般步驟16-17
• 2.2 攪拌裝置數(shù)值計(jì)算方法及模型建立17-22
• 2.2.1 多相流模型的選用17
• 2.2.2 控制方程的建立17-19
• 2.2.3 湍流模型的選擇19-20
• 2.2.4 微分方程的離散及數(shù)值計(jì)算方法20-21
• 2.2.5 攪拌槳區(qū)域處理方法21-22
• 2.3 本章小結(jié)22-23
• 第三章 攪拌對(duì)沼氣發(fā)酵影響試驗(yàn)研究及與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比23-31
• 3.1 試驗(yàn)概述23
• 3.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法23-25
• 3.2.1 試驗(yàn)材料與儀器23-24
• 3.2.2 試驗(yàn)方法24-25
• 3.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論25-26
• 3.4 攪拌裝置數(shù)值模擬研究26-27
• 3.4.1 攪拌裝置三維造型26-27
• 3.4.2 計(jì)算體系27
• 3.5 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比27-30
• 3.6 本章小結(jié)30-31
• 第四章 發(fā)酵攪拌裝置內(nèi)攪拌器對(duì)流場(chǎng)影響的模擬研究31-50
• 4.1 攪拌槳的選擇31-32
• 4.2 不同攪拌槳層的影響32-41
• 4.3 槳葉不同離底高度的影響41-49
• 4.4 本章小結(jié)49-50
• 第五章 結(jié)論與展望50-52
• 5.1 結(jié)論50
• 5.2 展望50-52
• 參考文獻(xiàn)52-56
• 致謝56-57
• 作者簡(jiǎn)介57

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