沼气工程发酵罐水力搅拌CFD模拟文献综述

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文 献 综 述

摘要：沼气工程包括厌氧发酵主体及配套工程技术，主要是通过厌氧发酵及相关处理降低粪水有机质含量，达到或接近排放标准并按设计工艺要求获取能源沼气。沼气利用产品与设备技术，主要是利用沼气或直接用于生活用能，或发电、或烧锅炉、或直接用于生产供暖、或作为化工原料等。沼肥制成液肥和复合肥技术，则主要是通过固液分离，添加必要元素和成份，使沼肥制成液肥或复合肥，供自身使用或销售。沼气是一种可再生的生物能源，是一种优质、卫生、廉价的气体燃料，开展农村沼气建设,综合利用沼气资源，能推动农村经济发展，使农民得到实惠，促进农业产业结构调整。沼气是一种清洁、高效的可再生能源。农村发展沼气很重要，不仅可以方便农民的生活，还可以改善生态环境。以沼气为纽带开展综合利用，加快农业生产结构调整，可以提高农产品的质量和效益，增加农民收入，使农民尽快脱贫致富。我国能源矛盾日益突出，而解决我国能源矛盾的根本出路是建设节约型社会。我国农村能源利用效率低下，能源浪费严重，沼气产业实现了农业生产和农民生活的循环发展，极大地节约了农村能源。发展农村沼气产业，是解决我国农村能源问题和建设节约型新农村的有效途径，其关键技术是沼气厌氧发酵技术，包括常规和高效厌氧发酵^[14,15]工艺技术。

根据厌氧发酵^[14,15]反应系统研究，分别对机械搅拌、气体搅拌、水力搅拌影响牛粪高温厌氧发酵的因素进行分析，通过正交试验后，得出机械搅拌气搅拌和水力搅拌的最佳工艺，由结果可知，产气量最高的是机械搅拌，其最佳工艺组合为固含量9%搅拌转速为50rpm搅拌频率6h一次搅拌时间20min但是在对上层浮渣进行称重的时候，发现上层浮渣最少的为水力搅拌，机械搅拌次之，结果表明，从发酵液的混合均匀程度来看，机械搅拌是最好的，但是从周期内对预防上层浮渣结壳的角度来说，水力搅拌是最好的^[5]。由此可见，不同的搅拌方式各有其优缺点。由相关据数据统计，机械搅拌通风发酵罐搅拌所消耗的能源占发酵全过程的一半左右^[6]。机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一, 机械搅拌发酵罐其气体分散和发酵液循环运动主要由搅拌器来完成, 它利用机械搅拌器的作用, 使空气和发酵液充分混合, 对发酵罐的性能评价分析具有重要意义^[10]。

对于水力搅拌而言，考察了混凝剂投加量和水力搅拌速度对絮体形成和分流制雨水处理效果的影响，结果表明，混凝剂投加量和混合水力搅拌速度直接影响絮体Zeta电位和聚沉特性；混合搅拌速度控制混凝反应速率，絮凝速度梯度影响絮体形成粒径 FI曲线特征参数对控制混凝工艺具有指导意义。合理控制混凝剂投加量和水力搅拌条件可

节约药剂成本和工艺能耗^[11]。通过对传统辐流沉淀池中心区域的结构改造，实现结构创造水力搅拌条件，满足混凝机理的要求，从而改善了混凝沉降效果。为传统辐流沉淀池结构改造提供了借鉴，也为减轻传统工艺后续构筑物的处理负荷提供了思路，在节省占地、提高出水水质等方面都具有一定的意义^[12,13]。

随着计算机技术的迅速发展，水力学与计算机技术的有机结合增强了解决水力学疑难问题的能力。FLUENT软件是理论研究成果与实际工程相结合的计算水力学商业软件的杰出代表之一。我首先介绍了FLUENT软件的一些特点及应用领域，然后总结了它在水力学中的应用现状，指出了它具有计算快速、简捷、方便等优点，最后对FLUENT软件的应用进行了展望^[3]。

计算机模拟作为水力学研究的手段之一，具有以下优点：费用低廉，而且随着计算机技术的飞速进步，这一优点越来越突出；省时高效；也可实现对多种复杂物理条件下流场的真实和全域的模拟；也可实现理想状态下的模拟，比如可以将某一现象单独隔离开来进行研究；与物理模型试验只能针对某些点进行量测相比，计算机模拟所提供的信息量大而丰富^[3,7]。

随着计算机功能的不断完善与提高，水力学与计算机技术的有机结合将极大的增强解决疑难问题的能力。水力学模型的进步、流场可视化技术的发展以及水力信息学的普及应用，都是这方面的体现。加强水力学的算法研究和软件开发，把计算机和水力学密切结合起来已成为现代水力学研究的重要任务之一^[3,7]。

近年来随着计算机技术的迅速发展，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）作为一门独立的学科逐渐成为流体力学和应用数学的热门研究内容且发展日趋成熟。在这一趋势下，将理论研究成果与实际工程相结合的CFD商业软件应运而生，FLUENT便是其中的杰出代表。 FLUENT软件的设计基于CFD软件群思想，可针对各种不同流动的特点，采用最佳的数值解法，在计算速度、稳定性、精度等方面达到优化组合，从而高效地解决各领域的复杂流动计算问题，准确模拟流动、传热和化学反映等物理现象^[3]。

关键词：沼气工程、水力搅拌、 机械搅拌、CFD模拟