基于涡结构的管式微藻光生物反应器混合器的结构优化研究

摘要

微藻的光能利用率和含油量高，是一种在未来生产生物柴油的可靠原料。管式微藻光生物反应器因其具有较高的比表面积并可实现微藻的连续培养而成为未来大规模培养微藻的关键设备。已有很多研究对该型反应器进行了创新设计和优化设计，它们主要集中在利用混合器来促进反应器的混合性能。不过目前对管式反应器混合器的设计大多采用试错法，而没有一个有章可循的方法来减少工作量。最近的研究表明，光暗循环频率比其他表征混合性能的参数更能促进反应器内的生物生长。因此本文假设添加混合器的主要目的是增加藻细胞经历的光暗循环。又考虑到混合器是通过扰动流场（即生成涡）来增加光暗循环的，本文提出可通过调节涡和光暗分界线的相对位置来提高混合器在增加光暗循环时的经济性（即以尽量少的能量损失来增加光暗循环），并利用该方法来优化三种已存在的混合器结构。 为了评价混合器增加光暗循环时的经济性，定义了光暗循环强化效率。光暗循环强化效率即为混合器使反应器的光暗循环频率增加的倍数除以混合器使反应器消耗的泵工增加的倍数。 在轴向上，研究了Kenics混合器在管式反应器中的布置方式。已有研究表明Kenics混合器单元产生的涡会在混合器下游保持较长距离。数值模拟发现，上一个混合器单元产生的涡会与下一个混合器单元产生的涡发生相互作用，从而使涡量在整个横截面上分布较均匀，而不是尽量分布在光暗分界线附近，造成了涡量的浪费。本文将轴向上的混合器单元从4个减少到1个，使光暗循环强化效率从44.7%提高到了70.0%。并提出，混合器在轴向的布置应该采用离散布置。 在径向上，研究了带螺旋混合器的管式反应器的径向高度。本文模拟发现，螺旋混合器所形成的涡大多分布在混合器内径附近，而混合器高度的增加只是增加了涡的强度，并没有改变涡的位置。通过将径向高度从20mm减小到15mm，减小管中心的涡的强度，使光暗循环强化效率从12.0%提高到了22.9%。另外还提出，增大混合器的内径也可能提高光暗循环强化效率。 最后，将离散斜向内肋管引入光生物反应器中。显然，离散斜肋是离散布置的，符合本文所得的管内混合器应沿轴向离散布置的结论。并且斜肋与其所产生的涡成一一对应关系，表明可以通过肋的个数来调整涡的分布。通过对离散斜向内肋管的肋个数进行调整，减少背光面的涡的数量，提高了离散斜向内肋管反应器的光暗强化效率，并且这个效率高于1。另外，也通过对肋长进行参数优化，发现无量纲肋长为4或5时最好。

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