基于CFD的柱状微藻光生物反应器进气布置及其内部结构的优化设计
微藻是一种能有效利用光能、二氧化碳和水生长的自养植物，在可再生能源制造、食品、医药、环境检测及净化等方面有广泛应用。光生物反应器作为微藻光自养培养的核心装置，对于微藻的规模化培养具有重要作用。柱状鼓泡式和气升式光生物反应器设计简单、运行适应性强并且节省能源，对于培养微藻很具潜力。本文利用计算流体力学（CFD）方法，对不同气体分布器结构、导流筒直径、自由液面到导流筒顶部高度、气体分布器到导流筒底部高度以及运行参数（表观气速）展开研究，分析柱状光生物反应器内藻液的流动形态、混合效率及微藻细胞的受光特性，指导反应器结构和运行参数设计，提高柱状光生物反应器性能。 在相同的表观气速和光照条件下，研究发现气体分布器的气孔分布越均匀分散，导入气体在反应器内分布更加均匀，更有利于反应器内藻液的混合，促进了微藻细胞在光区和暗区之间循环流动，使反应器的光暗循环周期更小且时均光照强度更大。 比较柱状鼓泡式和气升式反应器性能的研究发现，鼓泡式反应器内微藻细胞运动更加随机，没有形成固定的流动形式，而气升式反应器内产生了一种均匀流动形式，更有利于反应器内中心区域流体与外部区域流体的循环流动，促进微藻细胞在上升区和下降区之间循环流动，防止出现光抑制及光缺乏现象。 通过对柱状气升式反应器的优化研究发现，在相同表观气速和光照条件下，增加顶部空隙和气体分布器空隙有利于提高反应器内的液体流动速度、光暗循环频率和时均光强；对于下降区与上升区横截面积比值Ad/Ar，应考虑外部光照条件以及微藻细胞临界光强来选取导流筒直径，使反应器的下降区内完全处于光区，而上升区内包含光区和暗区，这样才有利于提高反应器内的光暗循环频率和时均光强；相同光照条件下，增加表观气速有利于提高反应器的性能，但这是以提高输入反应器的能量且增加耗气量作为代价的。
微藻培养;柱状光生物反应器;结构设计;计算流体力学
华中科技大学
硕士
工程热物理
吴晶
2017
中文
Q94-331
79
2018-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）