多相流和湍流模型对平板膜生物反应器模拟的影响

相分布和速度场是浸没式MBR的流体力学特征的核心,这些特征能够通过CFD的多相流模型和湍流模型低成本、高精度地分析。因此,针对浸没式MBR优化结构、缓解膜污染和降低能耗的需求,以MBR流场的快速准确模拟为目标,以国内外3家主要商用浸没式平板MBR为对象,比较了不同多相流、湍流模型对浸没式平板MBR流场、相分布和计算成本的影响,并进行了模拟验证。结果表明,3家国内外浸没式平板MBR的空间构型多根据厂家推荐值设计,其长宽比为1.37±0.63,高径比为0.97±0.23。商用平板MBR的模拟与验证结果表明:①多相流模型对相分布、流场和速度分布的影响比湍流模型更显著,且VOF模型与standard k-ε的模型组合可更为快速准确地模拟浸没式平板MBR的流场特征;②多相流模型选择是计算成本至关重要的影响因素。6核计算时,VOF模型的CPU时间为mixture模型的5.5~3.2倍,realizable k-ε的CPU时间为standard k-ε的1.0~1.1倍。     

多相流搅拌反应器研究进展

综述了近五年冷态气液固三相搅拌反应器的研究成果,阐明近期研究热点已转为热态多相流搅拌反应器的流体力学行为。概述了热态气液两相体系中通气功率、混合时间、局部及总体气含率的研究结果。指出今后研究重点应为热态的固液悬浮、气液传质过程及其机理,同时说明用计算流体力学（CFD）对气液固三相搅拌反应器的数值模拟仍属起步阶段。     

曳力模型和湍流模型对内环流反应器数值模拟的影响

研究了曳力模型和湍流模型对气升式内环流反应器流体力学参数的影响,进一步证实了DBS-Local曳力模型在气升式内环流反应器中的适用性。结果表明：曳力模型决定了是否可以模拟出下降管中的气体;而曳力模型和湍流模型共同作用,决定了气含率模拟结果的准确性。Schiller-Naumann、Tomiyama、Grace、Ishii-Zuber这4种曳力模型均无法预测出下降管含气这一现象,而DBS-Local曳力模型能够模拟出下降管中的气体。DBS-Local曳力模型与standard k-ε mixture湍流模型组合,对气含率的预测值与实验值较为接近,而与RNG k-ε dispersed湍流模型组合,对轴向液速的预测值与实验值更为接近。     

一体式平板膜-生物反应器处理水中污染物研究

研究了一体式平板膜-生物反应器对水中污染物的去除效果。试验结果表明：系统对COD、NH3-N、TN、阴离子表面活性剂（LAS）均有很好的处理效果。其中生物降解起主要去除作用,平板膜对污染物的进一步去除、稳定出水水质起到了重要的作用。     

多相流反应器流体力学参数测试技术进展

为加深对多相流反应器流体力学行为的认识和指导工业反应器建模及放大,对现代煤化工和石油化工领域广泛应用的多相流反应器流体力学参数的测试技术进展进行了总结。按照侵入性测试技术和非侵入性测试技术的分类方法,对现有的主要测试技术的原理、适用性和局限性进行了阐述和分析,指出了适合工业级反应器流体力学参数测试的相关技术,并展望了多相流反应器流体力学参数测试技术的发展趋势。     

曝气膜生物反应器的CFD模拟

利用Fluent软件对曝气膜生物反应器中气液两相流动进行模拟计算,探讨了进气气泡的直径、进气速度及膜纤维束的长度等因素对膜生物反应器内液体流动、气体分布的影响.结果表明,减小气泡的直径并适当增大进气速度、膜纤维束长度可以有效提高膜生物反应器内气体的分布和液体与气体的接触,从而促进气液两相进行高效的传质.     

平板膜生物反应器应用于化工园综合废水处理的可行性和经济性

通过平板膜生物反应器处理某化工园区的综合废水,取得了良好的效果:COD去除率达到95%以上,氨氮去除率达到99%以上,反应器内MLSS稳定在8200mg/L左右,出水SS几乎为0,出水达到中水回用标准(GB/T18920—2002)。试验结果表明,平板膜生物反应器具有工艺简单、占地少、效率高、出水水质好等优点,通过经济性分析,其单位处理成本仅略高于现有CASS工艺,且出水可以实现回用,是实现化工园区废水资源化和节能减排的一个良好途径。     

钙对陶瓷平板膜生物反应器膜污染的影响研究

通过配制Ca~(2+)的质量浓度分别为50、120、230、540、730 mg/L的进水,考察不同Ca~(2+)含量对陶瓷平板膜生物反应器(C-MBR)膜污染的影响。实验数据表明,Ca~(2+)的质量浓度为230 mg/L时,TP的去除率比Ca~(2+)的质量浓度为50 mg/L时高30%左右,TMP上升速率比其它Ca~(2+)含量下低约为37%,膜通量下降趋势比其它Ca~(2+)含量下高约为27%。同时,在Ca~(2+)的质量浓度为230 mg/L时,由于Ca~(2+)强化了生物絮凝作用,故污泥混合液中的SMP及EPS较其它Ca~(2+)含量下低。     

平板膜生物反应器适宜运行通量与临界通量关系

通过考察平板膜生物反应器以不同初始启动通量恒流运行后的膜污染情况．研究系统适且运行通量与临界通量间的关系。结果表明，该膜生物反应器的临界通量为40-43L（m2-h）。以不同通量恒流运行后膜污染状况可分为3种情况：初始启动通量不小于临界通量时，短时间内膜污染急剧发展：初始启动通量位于临界通量的2，5．4／5时。开始阶段膜污染缓慢发展，但在运行一段时间后膜污染都进入迅速发展阶段；初始启动通量小于临界通量的2／5时，在近4个月的试验期间内系统维持稳定运行。结合膜面区域污染程度的不均匀性及实际运行过程中临界通量的变化．在冬季低温情况下，适宜的运行通量为2／5-1，2的初始临界通量值。     

一体式平板膜生物反应器处理商场污水的运行效能及膜污染研究

本研究首先利用实验室小试A²O-MBR一体化装置考察了其在HRT为24 h时处理BOD₅、NH₄⁺-N浓度分别为～300、～100 mg/L的模拟商场污水的效果,稳定后出水BOD₅、NH₄⁺-N平均浓度分别为5.07、4.26 mg/L,平均去除率分别达到了98.27%、95.56%。通过比较发现在相同运行条件下聚偏氟乙烯平板膜(FS-PVDF)的使用寿命最长。滤饼层阻力和浓差极化作用引起的过滤阻力分别是影响平板膜和中空纤维膜过滤能力的主要阻力类型。选择FS-PVDF进一步搭建中试规模A²O-MBR一体化装置,在HRT为48 h时处理BOD₅、NH₄⁺-N分别为200～400、60～100 mg/L的上海某商场污水,稳定后出水BOD₅、NH₄⁺-N平均浓度分别为7.14、0.25 m...     

水力旋流器内非牛顿流体多相流场的数值模拟

利用一种非牛顿流体黏度修正模型描述水力旋流器内高浓度矿浆的非牛顿流动特性,并结合雷诺应力模型(RSM)、混合多相流模型(Mixture)以及拉格朗日颗粒追踪模型(LPT)建立了一种适用于模拟水力旋流器内非牛顿流体多相流场的数学模型。模拟结果与报道的实验值的相对误差均在10%以内,表明了该模型的可靠性。结果表明,非牛顿流体黏度的空间分布与矿浆密度的空间分布类似。沿零轴速包络面(LZVV)的轮廓存在一个高密度环,其原因为某粒径范围内的颗粒受到的径向合力为零,颗粒群沿LZVV做高速旋转运动。分散相的空间分布取决于不同粒径的颗粒受力。对于不同粒径的单位质量颗粒,向外离心力的数值大约为向内压力梯度力的两倍左右,使得大颗粒进入下行流并在底流口收集。随着颗粒粒径的减小,总体向内且具有波动性的流体曳力呈指数增长。向内的流体曳力将部分颗粒推向轴心,经上行流逃逸,同时也增强了颗粒运动的随机性。当颗粒粒径小于一定值后,流体曳力远远大于离心力和压力梯度力,颗粒运动的随机性非常强,宏观表现为均匀分布。     

Prediction of gas density effects on bubbly flow hydrodynamics: New insights through an approach combining population balance models and computational fluid dynamics

Detailed measurements and computational fluid dynamics (CFD) investigation of the hydrodynamics in a bubble column containing internal features causing flow disturbances are presented for both air and helium gases. An optical needle probe has been used to measure profiles of bubble size, bubble velocity, and gas holdup at different locations across the cross section of the column. An approach combining CFD with population balances is able to represent observed multiphase flow phenomena such as the effect of the pipes to remix and redistribute the gas as well as the tendency of the gas to channel through a slit in the pipes rather than go around the pipes. The comparison of CFD simulation to experimental measurements reveal that the overall decrease in gas holdup observed when switching from air to helium gas can be explained by swarm effects, whereas the steeper decrease in the gas holdup profile across the column is due to coalescence effects. © 2018 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 64: 3764–3774, 2018     

Hydrokinetic optimization of commercial scale slurry bubble column reactor

An in‐depth numerical study has been carried out to investigate a high‐pressure commercial scale (2–8 m diameter, 30–40 m in height) slurry bubble column reactor. Typical superficial gas velocities are in the range of 0.5–3 m/s, and overall vapor holdups are in the range of 0.45–0.85. The study revealed that steady compartmental reaction models do not match plant data when reaction time constants are fast. Also, off‐the‐shelf commercial computational fluid dynamics codes do not produce useful information about a reactive column of this scale without first validating the model using data “anchors” from full‐scale operational columns. Important measures include both transient and time‐averaged profiles, integrals, and extrema of vapor holdup and reactants. Reactor designs based on this study show both improved productivity and product quality, allowing record production from existing plants along with substantial capital scope reduction for new plants. © 2011 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2012     

基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展,但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题,难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上,基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭,如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等;这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制,进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型：一类用于封闭相间动量传递,如介尺度曳力;另一类用于封闭离散相特征参数的演化,如介尺度群体平衡模型,计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用,并展望了未来发展方向和关键科学问题。     

基于DEM模拟气固循环流化床提升管内颗粒聚团特性

采用CFD-DEM的方法对气固循环流化床提升管内的气固流动特性进行模拟,建立了基于图像处理的分析颗粒聚团的方法,重点研究了颗粒聚团在床层内的整体分布以及颗粒聚团的特性,包括颗粒聚团的倾角、球形度以及长短轴比的概率密度分布以及它们在床层内的轴向和径向上的分布特性。研究结果表明,聚团在床层内的分布较宽,较小的聚团居多,边壁区域附近易形成较大的聚团。聚团的数目沿床层高度方向先增加后减少。聚团倾向于以偏离球形聚团、较大的倾角形式存在,其长短轴比值在2～4之间。     

基于介尺度PBM模型的生物反应器放大模拟及实验研究

对于通气搅拌式工业生物反应器的放大设计而言,精确预测气泡尺寸和体积传质系数非常重要,因此需要建立合适的气泡聚并和破碎模型,以保证反应器的高效操作。以5 L通气搅拌式生物反应器为对象,以气泡尺寸和体积传质系数的实验数据为基准,模拟并考察了两种聚并模型和四种破碎模型对生物反应器内流体流动行为以及传质能力的影响。结果表明,基于介尺度理论的修正聚并模型与考虑黏流剪切的破碎模型组合,所得模拟结果与实验数据吻合最好,这为大型生物反应器的桨型优化提供了模型基础。因为工业化生物发酵通常是在大型生物反应器中进行,搅拌桨型对生物反应器效能至关重要,故本研究在选定最优气泡聚并破碎模型的基础上,通过叶轮末端剪切力相等的放大原则将5 L通气搅拌式工业生物反应器放大到400 m³,同时考察了六斜叶圆盘搅拌桨、非对称式抛物线搅拌桨、布鲁马金式搅拌桨以及六直叶圆盘搅拌桨等桨型组合对气泡破碎能力和气体分散效果的影响,并通过综合对比气含率、体积传质系数等参数,得到400 m³通气搅拌式生物反应器的最优桨型组合。     

基于DEM模拟的气固鼓泡床内流场间歇性及颗粒相干结构的分析

采用计算流体力学和离散元方法（CFD-DEM）对气固鼓泡床流动行为进行模拟研究,并基于模拟结果分析鼓泡床内气泡和颗粒微观运动特性。对颗粒速度的脉动能谱进行分析,发现鼓泡床流场中存在间歇性。通过对比鼓泡床不同轴、径向位置的颗粒脉动速度的平坦因子,发现鼓泡床内不同位置的流场间歇性不同,随着床层高度的增加,流场的间歇性减弱;在径向上,过渡区的流场间歇性明显大于边壁区和中心区。进一步采用连续小波分析方法揭示了相干结构（颗粒涡团）的分布以及演化过程,并分析了不同尺度下相干结构（颗粒涡团）的分布与鼓泡床内颗粒与气泡运动的关系。