开放式蛇形通道池的流动混合特性与结构优化研究

论文摘要

利用微藻作为原料生产生物柴油是一种可持续发展的生物质能源技术。微藻培养可用来处理工业废水和废气,通过吸收工业排放的营养物生长,不仅有益于缓解温室气体,而且可以充分利用资源。此外,与柴油相比,生物柴油除了具有较好的燃料性能、润滑性能和安全性能,生物柴油和化石柴油相比含硫量低,燃烧排放更加环保。因此利用微藻生产生物柴油是一个高效和环保的新能源利用途径,具有广阔的发展潜力。目前,微藻培养系统主要有开放式培养系统和封闭式光生物反应器两类组成,开放式微藻系统具有造价相对低廉和运营成本低以及易于放大等特点,适合用于商业大规模能源微藻的生产。传统的开放式跑道池由桨轮驱动使藻液在跑道内混合流动,这样的循环方式的导致湍流只存在桨轮附近的流场,其余区域仍然处于层流或死区的状态,不利于充分利用太阳光资源。同时跑道池的采收成本较高以及容易受到季节性变化和昼夜温差的影响进一步制约了微藻的培养效率。针对传统跑道池面临的问题,本文研究了一种新型的开放式蛇形通道池微藻培养系统,通过将通道培养池和微藻收集池的综合设计改良了流动混合不均和昼夜热量损失等问题。此前研究人员对流场流速、通道结构设计与混合强度等已有初步进展,新型通道池的坝间距和坝长度等关键参数尚未优化。因此,本研究应用计算流体力学技术对通道池进行建模和内部结构优化,并将模拟计算结果与实验进行对比验证。采用两相流VOF模型和标准湍流k-?模型为计算模型,并定义了流动死区区域,通过粒子轨迹追踪法统计通道池内微藻粒子的光区停留时间和光暗平均循环周期定量分析垂直混合强度。比较通道坝相对间距为?=4.397.24与通道坝相对长度为?=0.6250.875时的流动混合特性,结果表明通道坝相对间距为?=6.00和相对长度为?=0.8125时流动的死区面积与光合作用效率最优。通道池内垂直混合强度对微藻培养至关重要,本文研究了一种斜挡板的装置加强通道池内的垂直混合,应用正交试验的方法分析出最优的斜挡板结构。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 能源微藻培养系统研究现状

1.3.1 开放式藻类培养系统

1.3.2 封闭式光生物反应器

1.3.3 CFD在微藻池系统中的应用

1.4 主要研究内容

第2章开放式通道池理论模型与研究方法

2.1 引言

2.2 微藻生长环境参数

2.3 培养效率影响参数

2.4 通道池理论计算模型

2.4.1 湍流模型选择

2.4.2 两相流模型选择

2.4.3 光传输模型构建

2.5 流动混合强度评估方法

2.5.1 评估死区面积

2.5.2 评估垂直混合强度

2.6 本章小结

第3章开放式通道池的CFD建模

3.1 引言

3.2 通道池的CFD设置

3.2.1 求解器

3.2.2 物性参数

3.2.3 稳定判据

3.2.4 收敛标准

3.3 计算模型

3.3.1 体积分数方程

3.3.2 湍流求解方程

3.3.3 边界条件

3.4 仿真模型验证

3.5 网格无关性验证

3.5.1 网格划分

3.5.2 网格无关性验证

3.6 本章小结

第4章开放式通道池结构优化

4.1 引言

4.2 几何模型设计

4.3 水平与倾斜底面通道池

4.4 坝间距对流动特性的研究

4.4.1 平均速度比较

4.4.2 死区面积比较

4.4.3 垂直混合强度比较

4.5 坝长度对流动特性的研究

4.5.1 平均速度比较

4.5.2 死区面积比例比较

4.5.3 垂直混合强度比较

4.6 通道池底部斜挡板的优化

4.6.1 斜挡板尺寸配置

4.6.2 正交试验方案

4.6.3 添加斜挡板的流场分析

4.7 本章小结

结论

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 帅凯鹏

导师: 徐心海

关键词: 微藻,开放式通道池,死区面积,混合特性,光暗循环

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: Q949.2

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002929

总页数: 70

文件大小: 4327K

下载量: 20

开放式蛇形通道池的流动混合特性与结构优化研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢