含光生化反应的多孔介质内流动及传输特性的格子Boltzmann模拟

摘要

由于人类过度开发利用传统的化石能源，同时新能源体系尚未建立，造成了全球环境污染、能源危机以及严重的生态环境破坏。未来经济的可持续发展要求我们开发和利用清洁的可再生能源来代替化石能源，从而建立人类与自然的和谐关系。在众多可代替能源中，氢能是目前最理想的能源，它具有热值高、燃烧稳定性好及清洁高效的优点。在各种制氢方法和技术中，光生物制氢技术是微生物利用太阳能通过降解有机物来供给自身生长，同时产生氢能的一种新技术。该技术反应条件温和、能耗低、能妥善解决能源与环境的矛盾，被认为是一种具有广泛应用前景的绿色能源技术。
　　目前，对光生物制氢已经展开了大量的实验研究，并将基于膜生物法和凝胶颗粒包埋法的细胞固定技术应用到生物制氢中，从而提高反应器内的生物量及运行的稳定性。同时，也有许多学者采用数值方法对反应器内的流动及传输现象进行理论研究。但是，这些数值方法主要是基于宏观传统算法，对于反应器内的微细观流动及传输过程不能够较好的反映，并且对于复杂边界条件其难以达到较高的数值精度和稳定性。近年来，一种新型的介观尺度算法——格子Boltzmann方法出现，它具有算法简单、天然的并行性及容易处理复杂边界条件的优势。本研究以圆柱体管束和玻璃珠堆积颗粒的膜生物反应器、以及包埋颗粒填充床反应器为背景，利用格子Bolzmann方法对这些多孔介质内的流动、传输及光生化反应过程进行研究。本文的主要研究内容和结论如下：
　　①首先，从连续Boltzmann方程出发，推导得到了时间、空间和速度上完全离散的格子Boltzmann方程；利用Chapman-Enskog展开技术，从格子Boltzmann方程反演得到宏观方程，进而建立了介观模型参数和宏观物理量间的关系。然后，根据所研究的物理问题设计了合适的格子Boltzmann传质模型及边界处理格式，且通过算例的模拟计算，证明了格子Boltzmann方法的可行性。
　　②利用2D格子Boltzmann传质模型研究了溶液横掠具有光生化表面的单圆柱及圆柱体管束构成的规则多孔介质内的流动及传输特性。得到了不同条件下的流场及浓度场分布，并研究分析了进口流速、管间距及管束排列方式对平均阻力系数、平均Sherwood数及平均降解效率的影响。模拟结果表明：进口流速增加，平均Sherwood数增大、平均阻力系数及降解效率降低；管间距减小，平均阻力系数、平均Sherwood数及降解效率均增大；管束采用叉排排列时，平均Sherwood数和降解效率均增大，平均阻力系数略有降低，说明叉排排列方式更有利于传质及光生化反应过程。
　　③利用3D格子Boltzmann传质模型研究了具有光生化表面的单颗粒及堆积颗粒构成的规则多孔介质内的流动、传输及光生化反应过程，该研究从二维拓展到三维。在计算中，将格子Boltzmann模型与多块模型耦合来提高计算效率。研究了光照强度、进口流速及颗粒堆积方式对流场、浓度场分布的影响，并且对其产氢性能也进行了评估。结果表明：光照强度为6000lx时，产氢性能最高；进口流速的增大，产氢性能降低；体心立方结构的颗粒堆积方式，阻力系数略低，但产氢性能较高。
　　④用表征体元尺度的格子Boltzmann模型研究了有机废水溶液绕流多孔包埋颗粒的流动、传输及其内部的光生化反应过程。计算中，将该模型与多块模型耦合来提高计算效率，研究了光照强度、进口流速、多孔包埋颗粒的渗透率及孔隙率的影响。结果表明：光照强度为6000lx时，光能转化效率最高，产氢性能最佳；进口流速增大，产氢性能明显降低；随着多孔包埋颗粒渗透率的增大，产氢得率增加，而底物降解效率减小；随着多孔包埋颗粒孔隙率的增大，产氢得率略有降低，而底物降解效率增加，并且在孔隙率大于0.5时，趋于稳定状态。
　　⑤用格子Boltzmann模型在孔隙尺度上研究了光合细菌单包埋颗粒反应器内的光生化反应过程。计算中，利用四参数随机生长法重构了包埋颗粒内的不规则多孔结构。研究了包埋颗粒的孔隙率对流动、传质及产氢性能的影响，且模拟结果与实验结果吻合得较好。此外，提出了一种格子Boltzmann多尺度模型，用该模型跨尺度研究了包埋颗粒填充床反应器内的光生化反应过程，既获得了包埋颗粒内微细观的流动及传输特性，又节约了计算成本。同时，考虑了反应器内的光衰减，模拟结果表明：光衰减主要发生在包埋颗粒内，且LB模拟的出射光强与实验值吻合得较好，并且产氢性能的模拟结果与实验结果也有较好的吻合度，从而证明了该格子Boltzmann多尺度模型用于模拟光生化反应系统是可行的。

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符号说明

1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 格子Boltzmann方法的发展及应用

1.3 格子Boltzmann模拟多孔介质内反应的研究现状

1.4 本文的主要工作及创新点

2 格子Boltzmann方法的基本理论及模型

2.1 引言

2.2 格子Boltzmann方程及宏观方程组

2.3 格子Boltzmann传质模型

2.4 边界条件处理

2.5 格子Boltmznann方法的计算步骤及验证

2.6 本章小结

3 绕流具有表面光生化反应圆柱体的流动及传输特性

3.1 引言

3.2 格子Boltzmann传质模型及曲面处理方法验证

3.3 绕流具有表面光生化反应单圆柱的流动及传输特性

3.4 绕流具有表面光生化反应圆柱体管束的流动及传输特性

3.5 本章小结

4 绕流具有表面光生化反应颗粒的流动及传输特性

4.1 引言

4.2 格子Boltzmann多块模型及验证

4.3 绕流具有表面光生化反应单颗粒的流动及传质

4.4 绕流具有表面光生化反应堆积颗粒的流动及传质

4.5 本章小结

5 具有光生化反应包埋颗粒流动及传输特性的REV尺度模拟

5.1 引言

5.2 REV尺度格子Boltzmann模型及验证

5.3 绕流具有光生化反应包埋颗粒的流动及传质

5.4 本章小结

6 包埋颗粒填充床反应器内流动及传输特性的跨尺度模拟

6.1 引言

6.2 多孔介质的重构

6.3 单包埋颗粒反应器内流动及传输特性的孔隙尺度模拟

6.4 包埋颗粒填充床反应器内流动及传输特性的跨尺度模拟

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附 录