基于CF D的跑道池式微藻光生物反應(yīng)器葉片結(jié)構(gòu)及進(jìn)氣布置的優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、微藻作為一種清潔、可再生型生物能源，具有很大的發(fā)展前景。在大規(guī)模的微藻培養(yǎng)中，跑道池式光生物反應(yīng)器因具有結(jié)構(gòu)簡單、培養(yǎng)成本低以及易于規(guī)模化生產(chǎn)等優(yōu)點而運用廣泛?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，提高藻液在光照方向上的混合性能有利于藻細(xì)胞進(jìn)行更為有效的光合作用，進(jìn)而能顯著提高微藻的產(chǎn)量。然而目前的跑道池式反應(yīng)器內(nèi)仍然存在著藻液在光照方向上混合性能不佳的問題，本文利用計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，基于數(shù)值模擬結(jié)果對跑道池式光生物反應(yīng)器的蹼輪葉片結(jié)構(gòu)以及跑道池底部

2、空氣進(jìn)氣孔布置方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，以期提升反應(yīng)器內(nèi)藻液的混合性能。
　　研究表明，在相同的蹼輪轉(zhuǎn)速和藻液深度的情況下，蹼輪采用后折型葉片比其它葉片型式更能節(jié)省功耗且增強藻液的混合效果。本文對后折型葉片的具體結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在模擬的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)葉片彎折比為1.0，葉片彎折角為90度時，反應(yīng)器單位功耗下藻液光照方向的無量綱速度(η)最大，藻液在光梯度方向上的混合性能最好。葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的值與優(yōu)化前相比，增加了164％。

3、>　　為了進(jìn)一步提升混合性能，本文在跑道池底部增設(shè)了空氣進(jìn)氣孔。對排布方式為3×12（y和x方向各有3和12個氣孔）的氣孔分布間距進(jìn)行了優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)間距過小時，每個氣孔上方區(qū)域內(nèi)由氣泡所帶動的流動產(chǎn)生相互干擾；當(dāng)間距過大時，氣泡對藻液的擾動不均勻，且此時，會有兩排氣孔距離跑道池的側(cè)壁面很近，增大了側(cè)壁面對光照梯度方向上藻液流動的阻礙作用。上述現(xiàn)象均會降低藻液在光照方向上的混合性能。在所研究的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)氣孔分布間距Δx/L等于0.

4、10，Δy/W等于1/3時，藻液光照方向上的無量綱速度最大，光暗循環(huán)周期最短，混合性能的提升最顯著。
　　最后，采用正交試驗及其分析方法，對x和y方向上的氣孔數(shù)目、氣孔起始位置（Δm/L）和氣孔尺寸做了進(jìn)一步優(yōu)化研究。結(jié)果表明，x和y方向上布置的氣孔數(shù)目越多（14×4），藻液在光照方向的無量綱速度越大，而氣孔起始位置和氣孔尺寸存在一個中間最佳值（Δm/L為0.30，氣孔邊長α為20mm）。四個參數(shù)影響反應(yīng)器混合性能的主次順序為：氣