流体力学计算在发酵罐上的应用

2017-01-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

引言

本文以江南大学倪伟佳硕士论文《不同搅拌桨叶组合条件下的CFD数据模拟及头孢菌素C发酵性能的比较》为基础,向发酵工程师普及流体力学在发酵应用的基础知识。本文旨在宣传CFD的基本思想,如果希望了解更深,请下载和学习相关的文章和软件。

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流体力学模拟

CFD(Computational Fluid Dynamics

,计算流体力学) 技术是传统流体力学研究的一个分支,它是以经典流体动力学和数值计算方法为基础,研究流动、传热和传质等过程的一门交叉学科。

CFD 技术通过求解某区域内质量、动量和能量方程以及相关附加方程来获得流场的整体和局部信息。

自从 Harvey 首次系统地将 CFD 技术引入搅拌反应器流场的研究,研究者们便开始从一个全新的角度去认识和研究反应器内流体动力学性质。该方法极大地促进了搅拌混合技术和反应器设计的发展。特别是近年来,随着计算流体力学研究和商用流体力学软件的不断完善,利用数值模拟方法获得流场参数已成为一种设计和优化搅拌反应器有效方法。与实验测量相比较, CFD 模拟不需要前期构建试验装置,设备规模、几何参数以及流场工况在模拟时可以随时调整改动。通过数值模拟技术既可以获取流场的整体信息和局部参数,又可以获得一些单纯使用实验手段时难以获得的数据,在节省大量时间和资金的同时,为传统的研究方法和结果提供有效的参考和补充。 CFD方法从最初的定性分析不断发展到现在的精确定量计算,如今根据具体情况可以部分甚至完全代替传统的试验过程。

论文中发酵罐信息

图2-1给出了试验中使用的发酵罐的结构

表2-1给出了发酵罐的相应参数,2-2和图2-2给出了搅拌桨的形式和参数。

搅拌反应器的设计和优化往往从反应器内流场的流型着手。速度矢量图是描述流场的基本方式之一,通过矢量图可以直观地了解流场的流型及速度变化、漩涡、回流等情况。

k-ε 模型目前是最有效的拟合方法

马青山等人采用 CFX 进行研究的结果表明,低雷诺数的 k-ε 模型和代数应力模型尤其是代数应力模型能较准确地模拟搅拌反应器内的流动场。 Ranade 等人采用 FLUENT 进行模拟计算时认为对于搅拌反应器内的数值计算,标准 k-ε 模型是最简单有效的模型。 Sommerfeld 等人讨论了带挡板的搅拌反应器内不同类型的 k-ε 湍流模型的计算效果并与实验测量值进行比较,得出以下结论:标准 k-ε 模型计算结果与测量值最吻合,采用更加优化的模型对计算结果精度的提高效果并不明显。因此,本文所用湍流模型选择标准 k-ε

模型。

论文涉及的软件

Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包,在美国的市场占有率为60%,凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能,在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

gambit是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学(CFD)模型和其它科学应用而设计的一个软件包。

该论文所有模型的建立、网格划分及边界条件的设置均采用前处理软件GAMBIT ,选取整个反应器及其内流体为研究对象

速度矢量图

速度矢量图给了我们发酵罐内发酵液流动的方向和大小,在图中可以明显看到不同的位点,速度矢量是不同的。速度越大的位点混合越好。

图 3-1 为六种桨叶组合在 400 r/min 下的速度矢量图(800 r/min 下矢量图与 400 r/min下的类似,只是相应位置速度大小和循环时间发生变化,故省略)。组合 1 上下两桨叶附近各形成一个循环,同时由于上下两循环及气液两相的相互作用,在两桨叶中间靠近搅拌轴区域形成一个稍小的循环。组合2 在底层桨叶附近形成典型的径向双循环流动,同时上层桨叶形成的轴向循环与双循环的上循环合并。组合 3上层桨叶形成径向双循环,底层桨叶附近形成一个小循环,其大小和形状与组合 1 底层桨叶的流场类似。组合 4 上下两桨叶区域各形成一组径向双循环,中间四折叶桨形成的流场与下层桨叶双循环的上循环合并。组合 5 底层桨叶流场与组合 1 类似,但速度大小比组合 1 大,上层桨叶和中层桨叶共同作用后在两层桨叶中间区域形成一定径向双循环流动。组合 6 中层桨叶和底层桨叶共同作用后在两桨叶中间位置形成一定径向双循环流动,其大小和形状与组合 5的径向双循环类似,同时上层桨叶形成的流场与双循环的上循环合并。

组合 1、2 和 6 的上层桨叶均为下压式四折叶桨,在搅拌过程中桨叶对流体有一个向下的作用力,因此流场循环很难达到液面区域,导致这三种组合液面附近的混合效果较差。组合 6 因上层桨叶距离液面较近,故液面的流动效果较其他两种组合好。当转速从 400 r/min 提高到 800 r/min 后,组合 6 的液面混合效果提高得最为明显,组合 2 次之。

相比于两档桨叶组合,三档桨叶组合多了一个桨叶,因此搅拌高速区域范围比两档桨叶组合大,且转速提高到 800 r/min

时三档桨叶组合的高速区域范围的提高幅度也比两档桨叶组合大。反应器内搅拌速度越大、搅拌高速区域所占比例越高,使得反应器内的流体获得了更多的能量和更大的速度,加速了物质的混合与传递。

每种桨叶组合的底层桨叶下部都有一个大小不同的速度死区,该区域的流动速度极小,物质的传递和混合主要通过自由扩散来进行。即使提高搅拌转速,对死区区域的消除效果也不明显。底部搅拌死区的形成可能是流场循环、底层桨叶圆盘的持气特性以及气液两相相互作用共同导致的结果。从图中可以看出反应器底部具有一定的径向流动可减小死区区域的范围。

图 3-19 和图 3-20 分别为两种转速下不同桨叶组合条件下剪切速率分布云图。由以上两图可以看出:

1) 最大剪切速率出现在各搅拌桨叶的叶端处,比其他区域剪切速率高出一个数量级。

2) 相同转速下,三档桨叶组合提供的剪切速率均比两档桨叶组合的高。

3) 六直叶桨提供的剪切速率比四折叶桨高。

4) 提高转速后,三档桨叶组合剪切速率的提高幅度大于两档桨叶组合。

5) 剪切速率分布云图与前述速度分布云图

有一定相关性,速度越大的区域相应的剪切速率越大。

结论

该论文的数值模拟部分主要分析了六种不同桨叶组合在两种搅拌转速下的气液两相流流场。主要研究分析了各组合的流场流型、速度云图、特征线上相应的径向速度和轴向速度以及剪切速率云图。通过研究比较发现,桨叶组合方式的不同对反应器内流场会产生很大影响。组合 6 与其他几种桨叶组合相比,具有较好的整体传质混合效果以及较强的剪切速率。组合 2 的传质混合效果稍逊于组合 6,但剪切速率较为温和。因此,本论文下一部分分别采用这两种桨叶组合和原始桨叶组合(组合1),实施利用顶头孢霉菌发酵生产 CPC 的试验,通过比较不同搅拌系统之间的在线和离线发酵参数,开展不同桨型组合条件下 CPC 发酵生产性能的比较研究,从生理角度对不同桨叶组合的 CPC发酵生产进行研究比较,探索适合 CPC 发酵生产的最优搅拌系统,为 CPC 工业化发酵的优化控制提供参考。