基于CF D的跑道池式微藻光生物反应器叶片结构及进气布置的优化设计
微藻作为一种清洁、可再生型生物能源，具有很大的发展前景。在大规模的微藻培养中，跑道池式光生物反应器因具有结构简单、培养成本低以及易于规模化生产等优点而运用广泛。现有研究发现，提高藻液在光照方向上的混合性能有利于藻细胞进行更为有效的光合作用，进而能显著提高微藻的产量。然而目前的跑道池式反应器内仍然存在着藻液在光照方向上混合性能不佳的问题，本文利用计算流体力学（CFD）技术，基于数值模拟结果对跑道池式光生物反应器的蹼轮叶片结构以及跑道池底部空气进气孔布置方式进行了优化设计，以期提升反应器内藻液的混合性能。 研究表明，在相同的蹼轮转速和藻液深度的情况下，蹼轮采用后折型叶片比其它叶片型式更能节省功耗且增强藻液的混合效果。本文对后折型叶片的具体结构做了进一步优化，发现在模拟的参数范围内，当叶片弯折比为1.0，叶片弯折角为90度时，反应器单位功耗下藻液光照方向的无量纲速度(η)最大，藻液在光梯度方向上的混合性能最好。叶片结构优化后的值与优化前相比，增加了164％。 为了进一步提升混合性能，本文在跑道池底部增设了空气进气孔。对排布方式为3×12（y和x方向各有3和12个气孔）的气孔分布间距进行了优化研究，发现当间距过小时，每个气孔上方区域内由气泡所带动的流动产生相互干扰；当间距过大时，气泡对藻液的扰动不均匀，且此时，会有两排气孔距离跑道池的侧壁面很近，增大了侧壁面对光照梯度方向上藻液流动的阻碍作用。上述现象均会降低藻液在光照方向上的混合性能。在所研究的参数范围内，当气孔分布间距Δx/L等于0.10，Δy/W等于1/3时，藻液光照方向上的无量纲速度最大，光暗循环周期最短，混合性能的提升最显著。 最后，采用正交试验及其分析方法，对x和y方向上的气孔数目、气孔起始位置（Δm/L）和气孔尺寸做了进一步优化研究。结果表明，x和y方向上布置的气孔数目越多（14×4），藻液在光照方向的无量纲速度越大，而气孔起始位置和气孔尺寸存在一个中间最佳值（Δm/L为0.30，气孔边长α为20mm）。四个参数影响反应器混合性能的主次顺序为：气孔起始位置>x方向气孔数>气孔尺寸>y方向气孔数。
生物能源;跑道池式光生物反应器;蹼轮叶片结构;进气孔;优化设计;计算流体力学
华中科技大学
硕士
工程热物理
吴晶
2017
中文
TK62
78
2018-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）