流體力學(xué)計(jì)算在發(fā)酵罐上的應(yīng)用
2017-01-10 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
本文以江南大學(xué)倪偉佳碩士論文《不同攪拌槳葉組合條件下的CFD數(shù)據(jù)模擬及頭孢菌素C發(fā)酵性能的比較》為基礎(chǔ),向發(fā)酵工程師普及流體力學(xué)在發(fā)酵應(yīng)用的基礎(chǔ)知識。本文旨在宣傳CFD的基本思想,如果希望了解更深,請下載和學(xué)習(xí)相關(guān)的文章和軟件。 『聲明:本訂閱號通過了微信原創(chuàng)審核』
CFD(Computational Fluid Dynamics,計(jì)算流體力學(xué)) 技術(shù)是傳統(tǒng)流體力學(xué)研究的一個(gè) 分支,它是以經(jīng)典流體動力學(xué)和數(shù)值計(jì)算方法為基礎(chǔ),研究流動、傳熱和傳質(zhì)等過程的 一門交叉學(xué)科。CFD 技術(shù)通過求解某區(qū)域內(nèi)質(zhì)量、動量和能量方程以及相關(guān)附加方程來獲得流場的整體和局部信息。 自從 Harvey 首次系統(tǒng)地將 CFD 技術(shù)引入攪拌反應(yīng)器流場的研究,研究者們便開始 從一個(gè)全新的角度去認(rèn)識和研究反應(yīng)器內(nèi)流體動力學(xué)性質(zhì)。該方法極大地促進(jìn)了攪拌混合技術(shù)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的發(fā)展。特別是近年來,隨著計(jì)算流體力學(xué)研究和商用流體力學(xué)軟件的不斷完善,利用數(shù)值模擬方法獲得流場參數(shù)已成為一種設(shè)計(jì)和優(yōu)化攪拌反應(yīng)器有效方法。與實(shí)驗(yàn)測量相比較, CFD 模擬不需要前期構(gòu)建試驗(yàn)裝置,設(shè)備規(guī)模、幾何參數(shù)以及流場工況在模擬時(shí)可以隨時(shí)調(diào)整改動。通過數(shù)值模擬技術(shù)既可以獲取流場的整體信息和局部參數(shù),又可以獲得一些單純使用實(shí)驗(yàn)手段時(shí)難以獲得的數(shù)據(jù),在節(jié)省大量時(shí)間和資金的同時(shí),為傳統(tǒng)的研究方法和結(jié)果提供有效的參考和補(bǔ)充。 CFD方法從最初的定性分析不斷發(fā)展到現(xiàn)在的精確定量計(jì)算,如今根據(jù)具體情況可以部分甚至完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的試驗(yàn)過程。圖2-1給出了試驗(yàn)中使用的發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu) 表2-1給出了發(fā)酵罐的相應(yīng)參數(shù),2-2和圖2-2給出了攪拌槳的形式和參數(shù)。 攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化往往從反應(yīng)器內(nèi)流場的流型著手。速度矢量圖是描述流場的基本方式之一,通過矢量圖可以直觀地了解流場的流型及速度變化、漩渦、回流等情況。 馬青山等人采用 CFX 進(jìn)行研究的結(jié)果表明,低雷諾數(shù)的 k-ε 模型和代數(shù)應(yīng)力模型 尤其是代數(shù)應(yīng)力模型能較準(zhǔn)確地模擬攪拌反應(yīng)器內(nèi)的流動場。 Ranade 等人 采用 FLUENT 進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)認(rèn)為對于攪拌反應(yīng)器內(nèi)的數(shù)值計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型是最簡單有 效的模型。 Sommerfeld 等人 討論了帶擋板的攪拌反應(yīng)器內(nèi)不同類型的 k-ε 湍流模型的 計(jì)算效果并與實(shí)驗(yàn)測量值進(jìn)行比較,得出以下結(jié)論:標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型計(jì)算結(jié)果與測量值最 吻合,采用更加優(yōu)化的模型對計(jì)算結(jié)果精度的提高效果并不明顯。因此,本文所用湍流 模型選擇標(biāo)準(zhǔn) k-ε Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包,在美國的市場占有率為60%,凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能,在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。 gambit是為了幫助分析者和設(shè)計(jì)者建立并網(wǎng)格化計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)軟件包。 該論文 所 有 模 型 的 建 立 、 網(wǎng) 格 劃 分 及 邊 界 條 件 的 設(shè) 置 均 采 用 前 處 理 軟 件GAMBIT ,選取整個(gè)反應(yīng)器及其內(nèi)流體為研究對象 速度矢量圖給了我們發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液流動的方向和大小,在圖中可以明顯看到不同的位點(diǎn),速度矢量是不同的。速度越大的位點(diǎn)混合越好。 圖 3-1 為六種槳葉組合在 400 r/min 下的速度矢量圖(800 r/min 下矢量圖與 400 r/min下的類似,只是相應(yīng)位置速度大小和循環(huán)時(shí)間發(fā)生變化,故省略)。組合 1 上下兩槳葉附近各形成一個(gè)循環(huán),同時(shí)由于上下兩循環(huán)及氣液兩相的相互作用,在兩槳葉中間靠近攪拌軸區(qū)域形成一個(gè)稍小的循環(huán)。組合2 在底層槳葉附近形成典型的徑向雙循環(huán)流動,同時(shí)上層槳葉形成的軸向循環(huán)與雙循環(huán)的上循環(huán)合并。組合 3上層槳葉形成徑向雙循環(huán),底層槳葉附近形成一個(gè)小循環(huán),其大小和形狀與組合 1 底層槳葉的流場類似。組合 4 上下兩槳葉區(qū)域各形成一組徑向雙循環(huán),中間四折葉槳形成的流場與下層槳葉雙循環(huán)的上循環(huán)合并。組合 5 底層槳葉流場與組合 1 類似,但速度大小比組合 1 大,上層槳葉和中層槳葉共同作用后在兩層槳葉中間區(qū)域形成一定徑向雙循環(huán)流動。組合 6 中層槳葉和底層槳葉共同作用后在兩槳葉中間位置形成一定徑向雙循環(huán)流動,其大小和形狀與組合 5的徑向雙循環(huán)類似,同時(shí)上層槳葉形成的流場與雙循環(huán)的上循環(huán)合并。
組合 1、2 和 6 的上層槳葉均為下壓式四折葉槳,在攪拌過程中槳葉對流體有一個(gè)向下的作用力,因此流場循環(huán)很難達(dá)到液面區(qū)域,導(dǎo)致這三種組合液面附近的混合效果較差。組合 6 因上層槳葉距離液面較近,故液面的流動效果較其他兩種組合好。當(dāng)轉(zhuǎn)速從 400 r/min 提高到 800 r/min 后,組合 6 的液面混合效果提高得最為明顯,組合 2 次之。 相比于兩檔槳葉組合,三檔槳葉組合多了一個(gè)槳葉,因此攪拌高速區(qū)域范圍比兩檔槳葉組合大,且轉(zhuǎn)速提高到 800 r/min 時(shí)三檔槳葉組合的高速區(qū)域范圍的提高幅度也比兩檔槳葉組合大。反應(yīng)器內(nèi)攪拌速度越大、攪拌高速區(qū)域所占比例越高,使得反應(yīng)器內(nèi)的流體獲得了更多的能量和更大的速度,加速了物質(zhì)的混合與傳遞。 每種槳葉組合的底層槳葉下部都有一個(gè)大小不同的速度死區(qū),該區(qū)域的流動速度極小,物質(zhì)的傳遞和混合主要通過自由擴(kuò)散來進(jìn)行。即使提高攪拌轉(zhuǎn)速,對死區(qū)區(qū)域的消除效果也不明顯。底部攪拌死區(qū)的形成可能是流場循環(huán)、底層槳葉圓盤的持氣特性以及氣液兩相相互作用共同導(dǎo)致的結(jié)果。從圖中可以看出反應(yīng)器底部具有一定的徑向流動可減小死區(qū)區(qū)域的范圍。圖 3-19 和圖 3-20 分別為兩種轉(zhuǎn)速下不同槳葉組合條件下剪切速率分布云圖。由以上兩圖可以看出:1) 最大剪切速率出現(xiàn)在各攪拌槳葉的葉端處,比其他區(qū)域剪切速率高出一個(gè)數(shù)量級。2) 相同轉(zhuǎn)速下,三檔槳葉組合提供的剪切速率均比兩檔槳葉組合的高。4) 提高轉(zhuǎn)速后,三檔槳葉組合剪切速率的提高幅度大于兩檔槳葉組合。有一定相關(guān)性,速度越大的區(qū)域相應(yīng)的剪切速率越大。 該論文的數(shù)值模擬部分主要分析了六種不同槳葉組合在兩種攪拌轉(zhuǎn)速下的氣液兩相流流場。主要研究分析了各組合的流場流型、速度云圖、特征線上相應(yīng)的徑向速度和軸向速度以及剪切速率云圖。通過研究比較發(fā)現(xiàn),槳葉組合方式的不同對反應(yīng)器內(nèi)流場會產(chǎn)生很大影響。組合 6 與其他幾種槳葉組合相比,具有較好的整體傳質(zhì)混合效果以及較強(qiáng)的剪切速率。組合 2 的傳質(zhì)混合效果稍遜于組合 6,但剪切速率較為溫和。因此,本論文下一部分分別采用這兩種槳葉組合和原始槳葉組合(組合1),實(shí)施利用頂頭孢霉菌發(fā)酵生產(chǎn) CPC 的試驗(yàn),通過比較不同攪拌系統(tǒng)之間的在線和離線發(fā)酵參數(shù),開展不同槳型組合條件下 CPC 發(fā)酵生產(chǎn)性能的比較研究,從生理角度對不同槳葉組合的 CPC發(fā)酵生產(chǎn)進(jìn)行研究比較,探索適合 CPC 發(fā)酵生產(chǎn)的最優(yōu)攪拌系統(tǒng),為 CPC 工業(yè)化發(fā)酵的優(yōu)化控制提供參考。 簡述一下:在使用流體力學(xué)模擬之前,我們憑感覺或經(jīng)驗(yàn)知道罐的結(jié)構(gòu)對發(fā)酵很重要,也知道補(bǔ)料從罐頂加入,不如到空氣管道,使之隨空氣進(jìn)入到發(fā)酵罐內(nèi)的混合效果好;也知道直葉的攪拌效果優(yōu)于彎葉,但是動力消耗大于彎葉,也知道發(fā)酵罐應(yīng)該設(shè)立檔板?；A(chǔ)會主動根據(jù)自己的菌種特性進(jìn)行試驗(yàn)來優(yōu)化發(fā)酵罐設(shè)計(jì)。 但是這樣往往會消耗大量的人力和財(cái)力,需要進(jìn)行長時(shí)間的試驗(yàn)和總結(jié),所以很難深入開展。現(xiàn)在有了流體力學(xué)軟件,有了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),所以使我們可能在較短時(shí)間內(nèi),設(shè)計(jì)出適合自己品種的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)。而且還能在節(jié)能上有意外的收獲。
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