基于CFD的跑道池式微藻光生物反应器叶片结构及进气布置的优化设计

发布时间：2021-01-12 03:05

　　微藻作为一种清洁、可再生型生物能源,具有很大的发展前景。在大规模的微藻培养中,跑道池式光生物反应器因具有结构简单、培养成本低以及易于规模化生产等优点而运用广泛。现有研究发现,提高藻液在光照方向上的混合性能有利于藻细胞进行更为有效的光合作用,进而能显著提高微藻的产量。然而目前的跑道池式反应器内仍然存在着藻液在光照方向上混合性能不佳的问题,本文利用计算流体力学（CFD）技术,基于数值模拟结果对跑道池式光生物反应器的蹼轮叶片结构以及跑道池底部空气进气孔布置方式进行了优化设计,以期提升反应器内藻液的混合性能。研究表明,在相同的蹼轮转速和藻液深度的情况下,蹼轮采用后折型叶片比其它叶片型式更能节省功耗且增强藻液的混合效果。本文对后折型叶片的具体结构做了进一步优化,发现在模拟的参数范围内,当叶片弯折比为1.0,叶片弯折角为90度时,反应器单位功耗下藻液光照方向的无量纲速度（）最大,藻液在光梯度方向上的混合性能最好。叶片结构优化后的值与优化前相比,增加了164%。为了进一步提升混合性能,本文在跑道池底部增设了空气进气孔。对排布方式为3×12（y和x方向各有3和12个气孔）的气孔分布间距进行了优化研究,... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：78 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

跑道池式光生物反应器工作原理图

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2图 1.1 跑道池式光生物反应器工作原理图1.2 微藻光生物反应器分类1.2.1 封闭式光生物反应器封闭式光生物反应器是一类不直接与外界接触，通过透明材料制作成的封闭式微藻培养系统。目前，常见的封闭式光生反应器有：管道式、平板式、柱状气升式、搅拌式发酵罐以及浮式薄膜袋等[2]。本文主要对管式光生物反应器、平板式光生物反应器以及柱状气升式光生物反应器作简要的介绍。管式光生物反应器一般是由有机玻璃等透光性强的材料制成，主要依靠喷气装置提供藻细胞、培养液以及二氧化碳在反应器内混合与循环所需的动力[3]，同时借助外部自然光源进行藻类生产。主要类型有：（1）水平放置地面的蛇形管式光生物反应器；（2）浸没在水池中冷却的蛇形管式光生物反应器；（3）双层排列管式光生物反应器；（4）多支路并行流管式光生物反应器；（5）A2 型管式光生物反应器[4]。管道式光生物反应器的微藻单位体积产率主要和反应器表面积与体积的比值（A/V）相关，培养密度较高，但也存在很多的不足，混合能力较差、溶氧积累较严重、温度和 pH 不易被控制、反应器内壁的清洗（藻细胞易于附壁）及维护困难、制造及维护成本高[5]，这些都大大地限制了管道式光生物反应器大规模应用于微藻生产。

图 1.2 管式光生物反应器应器也是由有机玻璃等透明材料制成，外形上薄它类型的光生物反应器相比，平板光生物反应6]。光照比表面积大有利于提高微藻对光照的利度过大，藻细胞互相遮挡造成的光衰减对微藻培物反应器在封闭式反应器的研究领域备受关注作，主要的优化有：结构上的优化包括在反应器内直板等）和外部形状的改变（L 型，倾斜板等），，鼓泡式通气以及气升式通气等。但是，平板式在平板壁面处会有不同程度的微藻粘连，反应高剪切力对藻细胞的破坏以及温度系统的控制难


本文编号：2972016