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搅拌釜式生物反应器的计算流体力学模拟

张永震  
【摘要】:搅拌釜式生物反应器在发酵和细胞培养等生物化工操作中的应用非常广泛。目前对其虽然已有许多的实验和理论研究,但有关的理论及设计计算方法仍不完善,近年来,计算流体力学(CFD)方法用于研究搅拌釜式生物反应器内的流动和混合特性,显示出卓越的优势,对未来搅拌釜的研究、开发与设计所产生的影响不可估量。 本文首先利用商业CFD软件FLUENT对搅拌釜内的三维流动场及剪切力场进行了详细的数值研究,考察了不同湍流模型对计算结果的影响。通过模拟发现:RNG k-ε模型在耗散率方程中通过引入描述流场畸变效应的附加源项后,在一定程度上改善了对桨叶附近各向异性湍流的预测能力,速度分布的计算结果要优于标准k-ε模型; 对搅拌釜内湍动能的模拟表明,湍动能主要集中在搅拌桨区和桨尾流区。但对搅拌桨区域的模拟结果要比实验数据小,其中标准k-ε模型的模拟结果要优于RNG k-ε模型的模拟结果; 对湍动能耗散率的模拟表明,大约有70%的能量集中在搅拌桨区域和尾流区域,而只有约30%的能量分布在主流区; 对搅拌釜内的剪切力进行了模拟,发现剪切力在釜内分布不均匀,主要集中在搅拌桨处。 本文还完成了对搅拌釜内气液两相流场的三维模拟,通过模拟研究发现:两相流中液相呈双流体环流型,搅拌桨射流因气体的出现偏上。轴向速度的预测值比实验值偏高; 气体的分布情况被很好的再现,但气含率的计算值偏低; 湍动能主要集中在搅拌桨区域和气体分布器区域。 本文通过对搅拌釜内混合情况的模拟研究发现:速度场与浓度场联立与单独求解计算所得的混合时间变化规律一致,单独求解计算所得的混合时间要比联立求解所得结果略大。单独求解完全可以描述搅拌釜内的混合情况,同时其计算工作量小,计算比较灵活; 采用不同湍流模型计算所得的混合时间明显不同,表明混合过程与计算所采用的流动场有关; 混合时间的大小与示踪子加入位置和监测点位置都有关。


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