【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于厌氧膜污染，特别涉及一种基于fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法。
技术介绍
1、目前主流的工艺采用厌氧发酵的方式处理餐厨垃圾。
2、但由于传统的厌氧发酵工艺(如cstr)在较短的水力停留时间下运行，导致产甲烷菌极易流失，且厌氧发酵效率低，出水水质差。
3、现有技术中，通过厌氧膜生物(anmbr)反应器进行厌氧发酵，提高出水水质；
4、然而anmbr的实际应用也存在缺陷，如果厌氧膜生物反应器要得到更广泛的应用，就需要严格控制膜污染。
5、目前的膜污染控制方法主要包括加入气体内循环和投加外援颗粒两种类型，这两种方法均能有效控制膜污染，但因为其过程十分冗杂且目前没有有效手段能够在不干扰反应器内部流态的情况下测量反应器内部的流速与压力的方法。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，该方法可以模拟厌氧膜生物反应器中，气泡联合固体颗粒在一起运动时，对膜表面的剪切力作用。以便在后续膜污染相关研究的过程中提供仿真计算的理论数据。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种基于fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，包括以下步骤；
4、(1)采用ansys的建模软件spaceclaim构建厌氧膜生物反应器的几何模型；
5、(2)利用ansys的
6、(3)将步骤(2)所得网格导入到ansys的运算软件fluent中，设置计算参数后进行计算气液两相采用多相流处理，投加的外源介质使用离散相来进行处理，因为体系内涉及气体内循环和离散相，计算结果无法收敛，仅计算至固体颗粒均匀分布在反应器内为止(伪稳态)；
7、(4)将步骤(3)得到的计算结果导入cfd中进行渲染和处理，并将反应器内部距离膜表面固定距离的动态压力绘制成图。
8、所述步骤(1)所述几何模型为：在spaceclaim软件中建立三维几何模型；
9、其中，步骤(1)所述建模软件包括cad软件或spaceclaim软件。
10、所述步骤(1)所述几何模型为：基于厌氧膜生物反应器中液体可以通过的部分建立模型，有效体积1.5l；
11、所述步骤(2)所述生成网格的方法为使用ansys meshing固定网格大小并生成网格；
12、其中，划分网格是将反应器内部划分为小块，随后使用公式计算每一小块的流速、压力参数。
13、具体的计算方式为：
14、膜表面压力计算过程遵循三大守恒定律，即质量守恒、动量守恒和能量守恒；
15、流速、压力参数的计算方式如(1)(2)所示：
16、仿真计算过程中涉及到的方程如下所述：
17、
18、其中,u、v、ω分别表示厌氧污泥在x、y、z方向上的分速度；
19、
20、其中,fx、fy、fz表示厌氧污泥在流动状态下在x、y、z三个方向上的体积力，p为厌氧污泥在流场中的压力,μ为厌氧污泥的粘度,ρ为流场的密度；
21、其中，上式的作用在于计算流体的运动速度和动态压力大小；
22、湍流脉动动能方程：
23、
24、动能耗散率方程：
25、
26、其中
27、其中，ρ为厌氧污泥的密度，ui为速度矢量在xi方向上的分量，μ为厌氧污泥的动力粘度；
28、其中，上式的作用在于计算湍流动能及其能量耗散率。
29、所述步骤(3)计算的初始条件包括求解器及操作条件、物理模型、材料性质、边界条件以及空间离散系数；
30、其中，所述求解器及操作条件中的求解器类型为pressure-velocity；所述时间模型为瞬态模型；所述物理模型中的流体流动模型为k-ε湍流模型；所述边界条件包括几何模型各个面中的气相流和固相流在重力作用下的初始速度；
31、空间离散系数分为梯度、压力、动量、体积分数、湍流动能、湍流耗散率。
32、所述物理模型包含多相流模型、离散相模型、粘度模型；
33、多相流模型中的均质模型为vof模型，相采用liquid-gas；
34、离散相模型中的交互模型为连续相，外援介质颗粒粒径为0.22cm；
35、粘度模型中的粘度参数为0.0042kg/(m·s)，边界材质为wall。
36、所述材料性质包括气相流体以及固相材料的性质；
37、其中，所述气相流体包括甲烷与二氧化碳混合气，密度为1.29kg/m3；
38、其中，所述液相材料包括厌氧污泥，密度为1020kg/m3；
39、其中，所述固相材料包括生物炭，密度为620kg/m3，但在反应器内运行一段时间后密度会增加至1006kg/m3。
40、气体由反应器下端进气口进入，经过液相后到达反应器顶部。
41、本专利技术所述的离散相模型材料性质包括固体材料。
42、其中，所述固体材料为500℃缺氧烧制2h的生物炭。
43、其中，离散相模型的喷射源设定为从气体出口以2m/s的速度进入反应器。
44、步骤(3)所述计算参数包括松弛因子以及求解极限；
45、定义伪稳态为：生物炭在反应器内运动一段时间后，均匀的分布于反应器内部各处。
46、其中，所述松弛因子包括压力松弛因子、密度松弛因子、体积力松弛因子、动量松弛因子以及能量松弛因子；
47、所述步骤(3)在运行前会对气相与液相进行初始化，开始计算后，设定好的喷射源会以一定速度发射生物炭粒子，直到达到目标个数后停止；生物炭会在运行一段时间后均匀地分布在反应器内，此时开始记录距离膜表面固定距离的面最大动态压力大小并计算平均值。
48、所述步骤(4)计算结果包括生物炭、厌氧污泥和甲烷气体在反应器内的速度数据以及压力数据；
49、其中，步骤(4)的数据记录包括生物炭、厌氧污泥和甲烷气体的速度云图、压力云图、生物炭颗粒运动图和面最大动态压力趋势图。
50、本专利技术的有益效果：
51、本专利技术将计算机模拟技术应用到厌氧发酵领域，利用ansys fluent软件模拟生物炭对膜表面的剪力作用进行数值模拟，避免了传感器难以安装且会改变流态的问题；同时在模拟过程中引用多相流和离散相对过程进行仿真，使得模拟结果更加接近真实流动过程。同时运行一段时间后，利用流动解决了生物炭颗粒在反应器中的分布问题，使计算结果更加准确。
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1.一种基于Fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种基于Fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)所述几何模型为：在SpaceClaim软件中建立三维几何模型；
3.根据权利要求1所述的一种基于Fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)所述生成网格的方法为使用ANSYS Meshing固定网格大小并生成网格；
4.根据权利要求3所述的一种基于Fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，流速、压力参数的计算方式如(1)(2)所示：
5.根据权利要求1所述的一种基于Fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，所述步骤(3)计算的初始条件包括求解器及操作条件、物理模型、材料性质、边界条件以及空间离散系数；
6.根据权利要求5所述的一种基于Fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，所述物理模型包含多相流模型、离散相模型
7.根据权利要求5所述的一种基于Fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，步骤(3)所述计算参数包括松弛因子以及求解极限；
8.根据权利要求1所述的一种基于Fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，所述步骤(4)计算结果包括生物炭、厌氧污泥和甲烷气体在反应器内的速度数据以及压力数据；
...【技术特征摘要】
1.一种基于fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤；
2.根据权利要求1所述的一种基于fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，所述步骤(1)所述几何模型为：在spaceclaim软件中建立三维几何模型；
3.根据权利要求1所述的一种基于fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，所述步骤(2)所述生成网格的方法为使用ansys meshing固定网格大小并生成网格；
4.根据权利要求3所述的一种基于fluent模拟的生物炭缓解厌氧体系膜污染的仿真方法，其特征在于，流速、压力参数的计算方式如(1)(2)所示：
5.根据权利要求1所述的一种基于...
【专利技术属性】
技术研发人员：李倩，尤少文，陈松，袁帅，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：
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