流體力學計算在發酵罐上的應用

2017-01-10 by:CAE仿真在線來源:互聯網

引言

本文以江南大學倪偉佳碩士論文《不同攪拌槳葉組合條件下的CFD數據模擬及頭孢菌素C發酵性能的比較》為基礎,向發酵工程師普及流體力學在發酵應用的基礎知識。本文旨在宣傳CFD的基本思想,如果希望了解更深,請下載和學習相關的文章和軟件。

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流體力學模擬

CFD(Computational Fluid Dynamics

,計算流體力學) 技術是傳統流體力學研究的一個分支,它是以經典流體動力學和數值計算方法為基礎,研究流動、傳熱和傳質等過程的一門交叉學科。

CFD 技術通過求解某區域內質量、動量和能量方程以及相關附加方程來獲得流場的整體和局部信息。

自從 Harvey 首次系統地將 CFD 技術引入攪拌反應器流場的研究,研究者們便開始從一個全新的角度去認識和研究反應器內流體動力學性質。該方法極大地促進了攪拌混合技術和反應器設計的發展。特別是近年來,隨著計算流體力學研究和商用流體力學軟件的不斷完善,利用數值模擬方法獲得流場參數已成為一種設計和優化攪拌反應器有效方法。與實驗測量相比較, CFD 模擬不需要前期構建試驗裝置,設備規模、幾何參數以及流場工況在模擬時可以隨時調整改動。通過數值模擬技術既可以獲取流場的整體信息和局部參數,又可以獲得一些單純使用實驗手段時難以獲得的數據,在節省大量時間和資金的同時,為傳統的研究方法和結果提供有效的參考和補充。 CFD方法從最初的定性分析不斷發展到現在的精確定量計算,如今根據具體情況可以部分甚至完全代替傳統的試驗過程。

論文中發酵罐信息

圖2-1給出了試驗中使用的發酵罐的結構

表2-1給出了發酵罐的相應參數,2-2和圖2-2給出了攪拌槳的形式和參數。

攪拌反應器的設計和優化往往從反應器內流場的流型著手。速度矢量圖是描述流場的基本方式之一,通過矢量圖可以直觀地了解流場的流型及速度變化、漩渦、回流等情況。

k-ε 模型目前是最有效的擬合方法

馬青山等人采用 CFX 進行研究的結果表明,低雷諾數的 k-ε 模型和代數應力模型尤其是代數應力模型能較準確地模擬攪拌反應器內的流動場。 Ranade 等人采用 FLUENT 進行模擬計算時認為對于攪拌反應器內的數值計算,標準 k-ε 模型是最簡單有效的模型。 Sommerfeld 等人討論了帶擋板的攪拌反應器內不同類型的 k-ε 湍流模型的計算效果并與實驗測量值進行比較,得出以下結論:標準 k-ε 模型計算結果與測量值最吻合,采用更加優化的模型對計算結果精度的提高效果并不明顯。因此,本文所用湍流模型選擇標準 k-ε

模型。

論文涉及的軟件

Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包,在美國的市場占有率為60%,凡是和流體、熱傳遞和化學反應等有關的工業均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能,在航空航天、汽車設計、石油天然氣和渦輪機設計等方面都有著廣泛的應用。

gambit是為了幫助分析者和設計者建立并網格化計算流體力學(CFD)模型和其它科學應用而設計的一個軟件包。

該論文所有模型的建立、網格劃分及邊界條件的設置均采用前處理軟件GAMBIT ,選取整個反應器及其內流體為研究對象

速度矢量圖

速度矢量圖給了我們發酵罐內發酵液流動的方向和大小,在圖中可以明顯看到不同的位點,速度矢量是不同的。速度越大的位點混合越好。

圖 3-1 為六種槳葉組合在 400 r/min 下的速度矢量圖(800 r/min 下矢量圖與 400 r/min下的類似,只是相應位置速度大小和循環時間發生變化,故省略)。組合 1 上下兩槳葉附近各形成一個循環,同時由于上下兩循環及氣液兩相的相互作用,在兩槳葉中間靠近攪拌軸區域形成一個稍小的循環。組合2 在底層槳葉附近形成典型的徑向雙循環流動,同時上層槳葉形成的軸向循環與雙循環的上循環合并。組合 3上層槳葉形成徑向雙循環,底層槳葉附近形成一個小循環,其大小和形狀與組合 1 底層槳葉的流場類似。組合 4 上下兩槳葉區域各形成一組徑向雙循環,中間四折葉槳形成的流場與下層槳葉雙循環的上循環合并。組合 5 底層槳葉流場與組合 1 類似,但速度大小比組合 1 大,上層槳葉和中層槳葉共同作用后在兩層槳葉中間區域形成一定徑向雙循環流動。組合 6 中層槳葉和底層槳葉共同作用后在兩槳葉中間位置形成一定徑向雙循環流動,其大小和形狀與組合 5的徑向雙循環類似,同時上層槳葉形成的流場與雙循環的上循環合并。

組合 1、2 和 6 的上層槳葉均為下壓式四折葉槳,在攪拌過程中槳葉對流體有一個向下的作用力,因此流場循環很難達到液面區域,導致這三種組合液面附近的混合效果較差。組合 6 因上層槳葉距離液面較近,故液面的流動效果較其他兩種組合好。當轉速從 400 r/min 提高到 800 r/min 后,組合 6 的液面混合效果提高得最為明顯,組合 2 次之。

相比于兩檔槳葉組合,三檔槳葉組合多了一個槳葉,因此攪拌高速區域范圍比兩檔槳葉組合大,且轉速提高到 800 r/min

時三檔槳葉組合的高速區域范圍的提高幅度也比兩檔槳葉組合大。反應器內攪拌速度越大、攪拌高速區域所占比例越高,使得反應器內的流體獲得了更多的能量和更大的速度,加速了物質的混合與傳遞。

每種槳葉組合的底層槳葉下部都有一個大小不同的速度死區,該區域的流動速度極小,物質的傳遞和混合主要通過自由擴散來進行。即使提高攪拌轉速,對死區區域的消除效果也不明顯。底部攪拌死區的形成可能是流場循環、底層槳葉圓盤的持氣特性以及氣液兩相相互作用共同導致的結果。從圖中可以看出反應器底部具有一定的徑向流動可減小死區區域的范圍。

圖 3-19 和圖 3-20 分別為兩種轉速下不同槳葉組合條件下剪切速率分布云圖。由以上兩圖可以看出:

1) 最大剪切速率出現在各攪拌槳葉的葉端處,比其他區域剪切速率高出一個數量級。

2) 相同轉速下,三檔槳葉組合提供的剪切速率均比兩檔槳葉組合的高。

3) 六直葉槳提供的剪切速率比四折葉槳高。

4) 提高轉速后,三檔槳葉組合剪切速率的提高幅度大于兩檔槳葉組合。

5) 剪切速率分布云圖與前述速度分布云圖

有一定相關性,速度越大的區域相應的剪切速率越大。

結論

該論文的數值模擬部分主要分析了六種不同槳葉組合在兩種攪拌轉速下的氣液兩相流流場。主要研究分析了各組合的流場流型、速度云圖、特征線上相應的徑向速度和軸向速度以及剪切速率云圖。通過研究比較發現,槳葉組合方式的不同對反應器內流場會產生很大影響。組合 6 與其他幾種槳葉組合相比,具有較好的整體傳質混合效果以及較強的剪切速率。組合 2 的傳質混合效果稍遜于組合 6,但剪切速率較為溫和。因此,本論文下一部分分別采用這兩種槳葉組合和原始槳葉組合(組合1),實施利用頂頭孢霉菌發酵生產 CPC 的試驗,通過比較不同攪拌系統之間的在線和離線發酵參數,開展不同槳型組合條件下 CPC 發酵生產性能的比較研究,從生理角度對不同槳葉組合的 CPC發酵生產進行研究比較,探索適合 CPC 發酵生產的最優攪拌系統,為 CPC 工業化發酵的優化控制提供參考。