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摘要：文章对双层搅拌桨厌氧反应器流场进行了数值模拟，计算采用多重参考系法和标准k-ε湍流方程。模拟结果表明，流体在反应器内形成了循环流动，在整个反应器内的湍流特性比较均匀。
关键词：搅拌；厌氧反应器；数值模拟
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2010）-12-0212-2
0 引言
厌氧反应器广泛应用于包括农业养殖场废水在内的各种废水的处理过程中。由于一些废水如养殖场废水含有较高浓度的固体，为了强化混合，常常需要搅拌，双层搅拌是厌氧反应器常用的搅拌方式。在目前工业上在对双层搅拌桨搅拌厌氧反应器设计时，大都依赖经验进行，设计效果达不到最优。
近年来，计算流体力学广泛应用于各种不同流场的研究，如王定标等[1]对双层桨叶搅拌器进行了数值模拟。通过流场的数值模拟不仅可以得到实验手段无法得到的局部信息，而且还能节省研究经费。因此，国内外学者也开始用计算流体力学的方法研究厌氧反应器内的流场结构。Robert N.等学者用Fluent软件模拟了厌氧反应器内流动，模拟结果显示，厌氧反应器的重要操作参数如水力停留时间模拟值和计算值吻合较好[2，3]。在国内，叶群峰[4]对UASB反应器内单相流动进行了初步数值模拟。王卫京等[5]对UASB反应器内气液两相流动进行了数值模拟，并得出了厌氧反应器内气相和液相的流场。这些研究对厌氧反应器流场进行了探索，但总体上来说，厌氧反应器内流动还未得到充分研究。本文对侧伸搅拌厌氧反应器内流场进行了模拟，研究反应器内的流动规律。
1 流体力学模型
本文假设反应器内流动为稳态不可压缩流动，厌氧反应器内的湍流用k-ε方程进行计算。连续性方程为：
反应器内流体的粘度取为0.85mPa·s[7]。
2 厌氧反应器结构
本文模拟了一个有双层搅拌桨的厌氧反应器。该厌氧反应器直径为6m，高8m，搅拌桨为双层斜叶桨，有三个叶片，直径为1.5m。第一个桨距底部高度为2m，第二个桨距底部为6m。有4个宽度为0.6m的挡板。采用非结构网格对整个厌氧反应器区域计算，其网格划分如图1所示。
3 模拟结果与讨论
反应器流动的数值模拟结果如图所示。图2是流动轨迹图，图3 是速度矢量图。从图中可以看出，流体在搅拌桨的推动作用下，由反应器中心向下流动，到底部后沿壁面向上流動，这样流体在整个反应器内形成循环流动，使物料在整个反应器内进行混合。
图4和图5分别是耗散率两个挡板中间截面及搅拌桨区域的等值线图。这两个图显示出，在双层搅拌桨厌氧反应器的流场中，除在搅拌桨小部分区域内，湍流特性在整个反应器区域分布是比较均匀的，这种情况的对厌氧菌的生长比较有利。而从图5也可以看出，在搅拌桨区域内，耗散率的只在搅拌桨叶片及附近区域内分布不均匀，表明在这一区域内流动剪切力较大，对厌氧菌的生长不利。因此，需要开发新型搅拌桨，降低搅拌过程的剪切作用，使反应器的流场更有利于厌氧菌的生长。
图5 耗散率ε等值线图（上：搅拌桨横截面，下：搅拌桨表面）
4 结论
本文对双层搅拌桨厌氧反应器流场进行了数值模拟。模拟结果表明，在搅拌桨的推动作用下，流体在反应器内形成循环流动。而湍流的特性值ε在反应器内分布比较均匀，存在着这对厌氧菌的生长较有利。
参考文献
[1] 王定标，杨丽云，于艳，等.双层桨叶搅拌器流场的CFD模拟与PIV测量[J].郑州大学学报：工学版，2009,30(2):1-5.
[2] 叶群峰.升流式厌氧污泥床（UASB）数值模拟及流态分析[D].郑州大学，2002.
[3] 王卫京，左秀锦，朱波.UASB厌氧反应器内流场数值模拟[J].大连大学学报，2007,28(3):8-10.
[4] 颜智勇，胡勇有，肖继波，等.EGSB反应器的流态模拟研究[J].工业用水与废水，2007,35(2):5-9.
基金项目：辽宁省教育厅科学技术研究项目资助(2009A068)。
作者简介：王卫京(1971-)，男，大连大学环境与化学工程学院副教授，博士，研究方向：化学反应工程。
符号说明
关键词：搅拌；厌氧反应器；数值模拟
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2010）-12-0212-2
0 引言
厌氧反应器广泛应用于包括农业养殖场废水在内的各种废水的处理过程中。由于一些废水如养殖场废水含有较高浓度的固体，为了强化混合，常常需要搅拌，双层搅拌是厌氧反应器常用的搅拌方式。在目前工业上在对双层搅拌桨搅拌厌氧反应器设计时，大都依赖经验进行，设计效果达不到最优。
近年来，计算流体力学广泛应用于各种不同流场的研究，如王定标等[1]对双层桨叶搅拌器进行了数值模拟。通过流场的数值模拟不仅可以得到实验手段无法得到的局部信息，而且还能节省研究经费。因此，国内外学者也开始用计算流体力学的方法研究厌氧反应器内的流场结构。Robert N.等学者用Fluent软件模拟了厌氧反应器内流动，模拟结果显示，厌氧反应器的重要操作参数如水力停留时间模拟值和计算值吻合较好[2，3]。在国内，叶群峰[4]对UASB反应器内单相流动进行了初步数值模拟。王卫京等[5]对UASB反应器内气液两相流动进行了数值模拟，并得出了厌氧反应器内气相和液相的流场。这些研究对厌氧反应器流场进行了探索，但总体上来说，厌氧反应器内流动还未得到充分研究。本文对侧伸搅拌厌氧反应器内流场进行了模拟，研究反应器内的流动规律。
1 流体力学模型
本文假设反应器内流动为稳态不可压缩流动，厌氧反应器内的湍流用k-ε方程进行计算。连续性方程为：
反应器内流体的粘度取为0.85mPa·s[7]。
2 厌氧反应器结构
本文模拟了一个有双层搅拌桨的厌氧反应器。该厌氧反应器直径为6m，高8m，搅拌桨为双层斜叶桨，有三个叶片，直径为1.5m。第一个桨距底部高度为2m，第二个桨距底部为6m。有4个宽度为0.6m的挡板。采用非结构网格对整个厌氧反应器区域计算，其网格划分如图1所示。
3 模拟结果与讨论
反应器流动的数值模拟结果如图所示。图2是流动轨迹图，图3 是速度矢量图。从图中可以看出，流体在搅拌桨的推动作用下，由反应器中心向下流动，到底部后沿壁面向上流動，这样流体在整个反应器内形成循环流动，使物料在整个反应器内进行混合。
图4和图5分别是耗散率两个挡板中间截面及搅拌桨区域的等值线图。这两个图显示出，在双层搅拌桨厌氧反应器的流场中，除在搅拌桨小部分区域内，湍流特性在整个反应器区域分布是比较均匀的，这种情况的对厌氧菌的生长比较有利。而从图5也可以看出，在搅拌桨区域内，耗散率的只在搅拌桨叶片及附近区域内分布不均匀，表明在这一区域内流动剪切力较大，对厌氧菌的生长不利。因此，需要开发新型搅拌桨，降低搅拌过程的剪切作用，使反应器的流场更有利于厌氧菌的生长。
图5 耗散率ε等值线图（上：搅拌桨横截面，下：搅拌桨表面）
4 结论
本文对双层搅拌桨厌氧反应器流场进行了数值模拟。模拟结果表明，在搅拌桨的推动作用下，流体在反应器内形成循环流动。而湍流的特性值ε在反应器内分布比较均匀，存在着这对厌氧菌的生长较有利。
参考文献
[1] 王定标，杨丽云，于艳，等.双层桨叶搅拌器流场的CFD模拟与PIV测量[J].郑州大学学报：工学版，2009,30(2):1-5.
[2] 叶群峰.升流式厌氧污泥床（UASB）数值模拟及流态分析[D].郑州大学，2002.
[3] 王卫京，左秀锦，朱波.UASB厌氧反应器内流场数值模拟[J].大连大学学报，2007,28(3):8-10.
[4] 颜智勇，胡勇有，肖继波，等.EGSB反应器的流态模拟研究[J].工业用水与废水，2007,35(2):5-9.
基金项目：辽宁省教育厅科学技术研究项目资助(2009A068)。
作者简介：王卫京(1971-)，男，大连大学环境与化学工程学院副教授，博士，研究方向：化学反应工程。
符号说明