组合转子管式光生物反应器气液两相流混合特性研究

摘要

生物柴油作为微藻产业化培养技术的产品之一，被认为是具有广阔发展前景的清洁可再生能源。作为用于大规模、产业化养殖生物柴油原料的微藻培养设备——光生物反应器(PBR)其应具备成本低、产量高、易于维护的商业化特点。管式光生物反应器(T-PBR)由于其比表面积大、封闭抗污染、可操控性好的优点从众多类型的PBR中脱颖而出。但同样存在着混合传质性能不佳，微藻易附壁沉积，放大较困难的问题。针对这些缺陷，通过改进T-PBR的内部结构，优化流场，来增大反应器容积，提高流体的混合传质效果，改善微藻在管中的分布状态，从而整体提高T-PBR的性能。这对于提高微藻产量，指导大规模生产具有重要意义。
　　本文简要介绍了通过微藻进行生物柴油制备的研究进展以及影响微藻生长的因素。对典型PBR的结构、优缺点、应用前景进行了详细的描述。重点阐述了用于改善T-PBR流体混合特性的“洁能芯”组合转子的结构、原理和应用。并通过计算流体力学(CFD)模拟分析和可视化实验验证相结合的方法，来优化组合转子T-PBR的结构，促进气液两相流的混合。
　　本文设计了一种具有弧形折边结构的翼片转子，并与两叶片转子进行了比较分析，结果表明:翼片转子的特殊结构能够显著提高T-PBR中的气含率，提高气液两相间传质效果，相较两叶片转子管和光管，气含率分别提高了53.7％和26.5％，利于微藻对碳源的吸收。
　　本文分析了T-PBR在不同倾角(0°、30°、60°、90°)条件下的气液两相流混合特性，结果显示:随着倾角的增加，气速和流体湍动能不断增加，内置转子后效果更加明显，因此，在90°倾角、内置转子条件下，气液两相流流体的混合能力更强，更有利于微藻的生长。
　　本文对一种大管径多转子串T-PBR进行了模拟研究。探究转子串数量、转子串排布形式、转子类型等因素对流场的影响。结果表明:通过旋转能够重合的不同转子串排布形式对液相流体的混合性能影响较小，但对气相流体影响较大;在一定范围内，呈单圈环形排布的多组转子串管路的混合性能优于呈内外国环形排布的同样数量转子串管路的混合性能;在管径不变以及不影响转子正常旋转的前提下，增加转子串数量可以显著提高T-PBR的混合性能。
　　本文对大管径多转子串T-PBR进行了可视化实验研究，直观的验证了模拟方法和结果的准确性，得出结论:旋转对称的组合转子排布形式对连续相流场引起的差异极小;在实验条件下，适当增加转子串数量能够显著增加对液相流体的混合效果;在气相浮于管路顶部后，最上方转子能够搅动气液相分界面的转子排布形式，混合效果更好。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 微藻制备生物柴油技术简介

1．2．1 用于制备生物柴油的微藻

1．2．2 制备生物柴油的工艺方法

1．2．3 微藻制备生物柴油的生产流程

1．3 影响微藻生长的主要因素

1．3．1 光照

1．3．2 营养物质

1．3．3 CO2及pH

1．4 用于微藻培养的光生物反应器

1．4．1 气升式光生物反应器

1．4．2 平板式光生物反应器

1．4．3 管式光生物反应器

1．5 “洁能芯”组合转子

1．5．1 “洁能芯”组合转子简介

1．5．2 “洁能芯”组合转子的应用

1．6 本文研究内容

第二章 组合转子T-PBR气液两相流混合特性数值模拟

2．1 计算流体力学

2．1．1 计算流体力学简介

2．1．2 计算流体力学在PBR设计中的应用

2．1．3 计算流体力学控制方程

2．2 组合转子T-PBR数值模拟方法

2．2．1 组合转子结构及转速测量

2．2．2 数值模型的建立

2．2．3 边界条件的选择

2．2．4 模拟方法的验证

2．3 不同种类转子的气液两相流特性

2．3．1 速度场分析

2．3．2 光照方向速度分析

2．3．3 旋流数分析

2．3．4 气含率分析

2．4 不同倾角条件下气液两相流特性

2．4．1 气相流速分析

2．4．2 湍动能分析

2．5 3种管路阻力压降分析

2．6 本章小结

第三章 大管径组合转子T-PBR气液两相流混合特性数值模拟

3．1．1 管内转子排布形式对气液两相流特性的影响

3．1．2 内置三转子串的T-PBR气液两相流混合特性分析

3．2 内置四转子串的T-PBR气液两相流混合特性

3．2．1 4种排布形式的物理模型

3．2．2 内置四转子串的T-PBR气液两相流混合特性分析

3．3 套管式大管径组合转子T-PBR气液两相流特性

3．3．1 物理模型

3．3．2 套管式大管径组合转子T-PBR气液两相流特性分析

3．4 转子串数量对大管径T-PBR性能的影响

3．5 本章小结

第四章 大管径组合转子T-PBR气液两相流可视化实验

4．1．1 实验台搭建

4．1．2 实验方法及步骤

4．1．3 实验现象分析

4．2 大管径组合转子T-PBR气液两相流混合效果可视化实验

4．2．1 实验台搭建

4．2．2 实验方法及步骤

4．2．3 实验现象分析

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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