一种生物过程系统浓度场的构建方法技术方案

本发明专利技术提供一种生物过程系统浓度场的构建方法，包括如下步骤：1）根据反应系统的尺寸，构建反应系统的结构图；2）对步骤1）构建的反应系统结构图进行网格划分；3）采用CFD模型（如纳维‑斯托克斯方程）模拟反应器内部流场；4）水力场求解：采用牛顿拉普森法对水力场进行求解；5）浓度场求解：在求解得到的水力场的基础上，采用非线性牛顿拉普森法对浓度场进行求解，得到浓度场分布图。本发明专利技术实现计算结果与实际场吻合，可为相应污水处理设备设计、放大或现有工程设施的改造提供准确、快捷的服务。与现有类似小规模、线性浓度场构建技术相比较，本发明专利技术可服务于数万立方米的规模，并可囊括非线性反应进行计算，具备更大的使用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物
，特别是涉及一种生物过程系统浓度场的构建方法。
技术介绍
中国十三五规划纲要指出造纸、钢铁、制糖等行业污水处理不能稳定达标，这些行业的废水均属于难降解废水，部分行业废水(如医药废水)生物毒性强，并且，废水性质与车间性质高度相关，相应设施的设计以及改造难以用生活污水处理领域的经验来指导，而必须采用针对性的技术或设备。通过查阅现有文献资料发现，采用CFD技术与相应的化学反应相结合的方法可以有效的构建相应反应系统内的物质浓度分布，这为生物系统的优化、改造提供了有效的工具。目前这一技术的缺陷在于：1、现有技术中记载的场景构建技术涉及的尺寸较小，一般在数升到几个立方米大小，而实际运用的生物系统如污水生物处理系统的规模可达数千乃至数万立方米；2、现有技术中涉及的反应主要为单一或者数个简单的线性反应，这些线性反应容易与CFD技术相耦合而得到整个反应系统的低误差解。但是，当有大量非线性生化过程参与时，若缺乏合理的计算求解技术，计算误差可在模型求解过程中中不断传递，从而使得构建的生物系统场景通常不能正确地反应生物系统的真实情况。当生物系统的规模达到数百乃至数万立方米时，误差的积累效应尤为突出。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种生物过程系统浓度场的构建方法，用于解决现有技术中场景构建技术存在的适用尺寸较小、只能模拟简单反应、用于大规模反应系统构建时误差积累效应较为突出等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种生物过程系统浓度场的构建方法，包括如下步骤：1)根据反应系统的尺寸，构建反应系统的结构图。2)对步骤1)构建的反应系统结构图进行网格划分。3)采用CFD模型(如纳维-斯托克斯方程)模拟反应器水力场。4)水力场求解：采用牛顿拉普森法对水力场浓度进行求解。水力场求解时，可以采用线性或非线性方法。5)浓度场求解：根据生物系统所涉及的反应过程设置浓度场模型，在求解得到的水力场的基础上，采用非线性牛顿拉普森法对浓度场进行求解，得到反应系统内部各处的各物质浓度分布。此时的牛顿拉普森法可以采用直接法或间接法。例如，当反应器为污水处理池时，可以将浓度场模型设置为在污水处理中涉及的活性污泥数学模型；当反应为生物发酵时，则设置为生物发酵过程中涉及的模型。进一步地，所述步骤4)中，求解时阻尼系数为1×10-6至1之间的任意值。更进一步地，所述步骤4)中，求解时阻尼系数为1×10-6至0.5之间的任意值。更进一步地，所述步骤4)中，求解时阻尼系数为1×10-6至0.1之间的任意值。进一步地，所述步骤5)中，求解时阻尼系数设为0.0001至0.1之间的任意值。阻尼系数可设为恒定值，也可取非恒定值。例如恒定值可以恒定取为0.01、0.05等。进一步地，所述步骤1)中，在反应系统水流凝滞处设置倒角，以避免此处成为质量浓度误差源。进一步地，所述步骤2)中，结合自由四面体网格和六面体网格划分整个计算区域。更进一步地，所述步骤2)中，最小网格体积的数量级不大于10-3m3，小网格一般设置在水力复杂区域，如水流转角处、系统水力回流处等。最小网格体积的数量级根据水流具体情况的不同具体可以为10-3m3、10-4m3、10-5m3、10-6m3等。更进一步地，所述步骤2)中，最大网格体积的数量级为10-1m3。这个数量级的网格一般设置在水力不复杂区域，如长直廊道横断面中部的区域等。进一步地，所述步骤2)中，反应系统的壁面采用边界层强化网格划分以对反应系统的壁面处的网格进行局部加密。这样可以防止壁面附近水力边界层形成计算过程中浓度的误差源。更进一步地，边界层数量为2-8层，边界层比例为1.1-4。沿着壁面法向量方向(即垂直于反应器壁面并指向反应系统内部的方向)上边界层的厚度逐渐增大。边界层比例是指相邻两个边界层中远离壁面的边界层相对靠近壁面的边界层的厚度比值。进一步地，所述步骤1)中，反应系统的体积≥10m3，具体可以为100m3、500m3、1000m3、5000m3、10000m3、50000m3、100000m3等，反应系统的体积不受限制。本专利技术尤其适用于污水处理、生物发酵等大体积反应系统的浓度场构建，能够处理复杂非线性反应，计算得到的浓度场与实际情况相符，误差得到有效控制。反应系统的体积也可以小于10立方米。当体积小于10立方米时，网格大小需要根据具体体积大小按照本专利中设计的网格大小划分方式做适当缩小，一般缩小1-3个数量级即可。进一步地，当反应物流出反应系统后，存在物质浓缩并且浓缩后的物质重新回流至反应系统中时(如污水处理过程中微生物在流出反应器之后需要经过二沉池进行沉淀浓缩，浓缩后的微生物需要用泵重新打入反应系统中)，对反应系统的入口条件做相应的设置。具体设置方式为：在模型中检测反应出口各物质浓度并通过质量平衡的方式，将出口的物质在入口中设置相应的入流条件，使反应系统出口处流出反应系统的物质全部或部分重新进入反应系统。入口指反应系统的主要入口或者通过回流的方式伴随产生的入口。相应的入流条件是指将入口处设置进入反应系统的各物质单位时间内的质量流量。若该入口处原本存在相应物质的质量流量，回流物质的质量流量可与该入口处的原本的各物质流量浓度相加以得到总体的质量流量。如上所述，本专利技术的生物过程系统浓度场的构建方法，具有以下有益效果：本专利技术采用误差控制技术，实现对复杂非线性生物系统浓度场的构建。计算结果与实际场吻合，可为相应污水处理设备设计、放大、改造等提供准确、快捷的服务，与现有的类似小规模、线性浓度场构建技术相比较，本专利技术可服务于数万立方米的规模并可囊括多个复杂非线性反应进行计算，具备更大的使用价值，有效解决现有的场景构建技术涉及的尺寸较小、仅涉及简单反应等问题。附图说明图1显示为本专利技术实施例的反应器结构示意图，长度单位：m。图2显示为本专利技术实施例的水流复杂处倒角示意图，长度单位：m。图3显示为本专利技术实施例的反应器水流示意图，长度单位：m。图4显示为本专利技术实施例的整体网格划分示意图。图5和图6显示为本专利技术实施例的反应器水流转折处网格加密示意图。图7显示为本专利技术实施例的反应器出口处网格放大示意图。图8显示为本专利技术实施例的反应器流场速度云图，单位：m/s。图9显示为本专利技术实施例中采用本专利技术算法得到的反应系统中有机物沿着水流方向浓度变化图，横坐标单位：m。图10显示为采用线性牛顿拉普森法计算得到的得到的非物理性的反应系统中有机物沿着水流方向浓度变化图，横坐标单位：m。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。实施例1一种生物过程系统浓度场的构建方法，包括如下步骤：1)根据反应系统的具体尺寸，在计算机中构建反应系统的结构图，如图1-图3所示(长度单位：m)，本实施例的反应器尺寸为4m×4m×170m，在左下角处设置半径为4米的倒角，在离入口50m处设置回流入口。此处回流为内回流，由于不存在物质浓缩，回流中各物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物过程系统浓度场的构建方法，包括如下步骤：1)根据反应系统的尺寸，构建反应系统的结构图；2)对步骤1)构建的反应系统结构图进行网格划分；3)采用CFD模型模拟反应器水力场；4)水力场求解：采用牛顿拉普森法对水力场进行求解；5)浓度场求解：根据生物系统所涉及的反应过程设置浓度场模型，在求解得到的水力场的基础上，采用非线性牛顿拉普森法对浓度场进行求解，得到反应系统内部各处的各物质浓度分布。

【技术特征摘要】
1.一种生物过程系统浓度场的构建方法，包括如下步骤：1)根据反应系统的尺寸，构建反应系统的结构图；2)对步骤1)构建的反应系统结构图进行网格划分；3)采用CFD模型模拟反应器水力场；4)水力场求解：采用牛顿拉普森法对水力场进行求解；5)浓度场求解：根据生物系统所涉及的反应过程设置浓度场模型，在求解得到的水力场的基础上，采用非线性牛顿拉普森法对浓度场进行求解，得到反应系统内部各处的各物质浓度分布。2.根据权利要求1所述的生物过程系统浓度场的构建方法，其特征在于：所述步骤4)中，求解时阻尼系数为1×10-6至1之间的任意值。3.根据权利要求1所述的生物过程系统浓度场的构建方法，其特征在于：所述步骤5)中，求解时阻尼系数为0.0001至0.1之间的任意值。4.根据权利要求1所述的生物过程系统浓度场的构建方法，其特征在于：所述步骤1)中，在反应系统水流的转角处设置倒角。5.根据权利要求1所述的生物过程系统浓度场的构建方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨吉祥，鲁伦慧，陈猷鹏，申渝，晏鹏，董阳，郭劲松，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆;50