基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法

本发明属于环境工程，涉及厌氧消化，尤其涉及一种基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法。

背景技术：

1、厌氧消化不仅可以有效降解有机废弃物，还可以通过生产沼气从废物中进行能源回收。然而有机固废厌氧消化存在一些缺陷，如甲烷产率低、滞留时间要求高、底物不能完全消化等。相较于低固厌氧消化，高固厌氧消化具有反应器占地小、处理量大及消化物具有优良的卫生性能等优点，但其流体流动特性差，基质传热传质效果差，容易导致氨氮和酸积累，抑制反应的进行。对高固厌氧消化水力学条件进行调控能够强化系统中传热传质，促进高固厌氧消化运行性能。

2、高固厌氧消化系统包含海量三维水力学信息，以海量复杂水力学信息调控系统难度极大。计算流体力学(computational fluid dynamics,cfd)可实现厌氧消化系统三维水力学特性的可视化，获得全面的流场信息。其中，网格是cfd模型的计算单元，有效容积为8l的厌氧消化反应器网格数为742593，有效容积为30l厌氧消化反应器，网格数高达3928848。因此，利用三维海量信息去直接调控高固厌氧消化反应器的水力条件是极其困难的。

技术实现思路

1、针对高固厌氧消化水力调控必要性及反应器内海量流场信息难以调控水力条件的问题，本发明公开一种基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法。

2、技术方案

3、一种基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法，包括如下步骤：

4、(1).根据目标反应器构建反应器和搅拌桨的几何模型，设置其工作容积和三维立体结构；

5、(2).进行网格划分，使用适应性相对较强的非结构网格对整个流体域进行网格划分，并进行网格独立性检验证明模拟结果与网格数量无关，结合模拟时间与模拟效果选择网格数量；

6、(3).采用流变仪对厌氧消化基质的流变特性进行模拟，选择适合的流变模型拟合基质流变特性；

7、(4).使用cfd软件对厌氧消化流场进行数值模拟，计算收敛后导出结果，通过后处理软件进行后处理，对多个面的速度、死区分布规律进行采集；

8、(5).将反应器流场按照流速分为死区、低速区、中速区和高速区，绘制不同速度区间空间分布图，将反应器中的流速区间进一步细致划分为多个区间，绘制二维累积流速分布归一化曲线；

9、(6).根据二维累积流速分布归一化曲线构建一维高固厌氧消化水力学特征模型，并将每个工况的数据拟合高固厌氧消化水力学特征模型，抽提水力学特征参数用于水力控制；

10、(7).通过数据分析得到水力学特征参数与研究变量关系，重复步骤(1)-(6)进一步构建高固厌氧消化水力控制模型。

11、本发明较优公开例，所述高固厌氧消化过程所处理的有机废弃物包括猪粪、秸秆、餐厨垃圾或污泥等。

12、进一步的，所述高固厌氧消化过程，厌氧消化温度在35-55℃。

13、进一步的，所述厌氧消化包括直接厌氧消化、共消化、热处理强化厌氧消化、添加剂强化厌氧消化、碱处理强化厌氧消化或微波预处理厌氧消化。

14、本发明较优公开例，步骤(3)中所述流变模型为power-law模型、carreau模型或hershel-bulkley模型等。

15、本发明较优公开例，步骤(4)中所述数值模拟设置包括但不限于：根据需要模拟的工况，选择物理模型，如考虑能量，选择能量模型，考虑多相流，选择多相流模型；确定边界类型及物理量；设置求解参数，包括但不限于监控物理量设定、收敛标准设定、求解精度设定等；根据模拟工况选择合适的初始化方法并迭代计算。

16、进一步的，所述多相流模型为eulerian模型或vof(volume of fluid)模型等。

17、本发明将海量流场信息抽提拟合为一个水力学特征参数，简化反应器内水力调控的难度，可以提高厌氧消化反应器的运行效果，有望为实际工况下的厌氧消化运行提供参考。

18、有益效果

19、本发明基于cfd模拟所得的三维流场信息，二维构建累积流速分布归一化曲线解析流速场规律，进而构建一维数学模型，抽提水力学特征参数以调控水力条件。从而降低了海量信息调控高固厌氧消化水力条件的难度，为强化高固厌氧消化策略提供了新的视角，通过控制反应器内几何构型、转速，可以优化水力条件，降低搅拌所产生的能耗。可以为反应器内混合表征提供新的见解，能更好地控制反应器内混合效果。

技术特征：

1.一种基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法，其特征在于：所述高固厌氧消化过程所处理的有机废弃物包括猪粪、秸秆、餐厨垃圾或污泥。

3.根据权利要求1所述的基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法，其特征在于：所述高固厌氧消化过程，厌氧消化温度在35-55℃。

4.根据权利要求1所述的基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法，其特征在于：所述厌氧消化包括直接厌氧消化、共消化、热处理强化厌氧消化、添加剂强化厌氧消化、碱处理强化厌氧消化或微波预处理厌氧消化。

5.根据权利要求1所述的基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的流变模型为power-law模型、carreau模型或hershel-bulkley模型。

6.根据权利要求1所述的基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法，其特征在于：步骤(4)中所述数值模拟设置包括但不限于：根据需要模拟的工况，选择物理模型，如考虑能量，选择能量模型，考虑多相流，选择多相流模型；确定边界类型及物理量；设置求解参数，包括但不限于监控物理量设定、收敛标准设定、求解精度设定；根据模拟工况选择合适的初始化方法并迭代计算。

7.根据权利要求6所述的基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法，其特征在于：所述多相流模型为eulerian模型或vof模型。

技术总结
本发明属于环境工程技术领域，涉及一种基于流态降维的简化高固厌氧消化水力调控难度的方法，包括：根据目标反应器构建反应器和搅拌桨的几何模型；使用适应性相对较强的非结构网格对整个流体域进行网格划分；采用流变仪对厌氧消化基质的流变特性进行模拟；使用CFD软件对厌氧消化流场进行数值模拟，计算收敛后导出结果；绘制二维累积流速分布归一化曲线并构建一维高固厌氧消化水力学特征模型；通过数据分析得到水力学特征参数与研究变量关系。本发明通过控制反应器内几何构型、转速，可以优化水力条件，降低搅拌所产生的能耗，为反应器内混合表征提供新的见解，能更好地控制反应器内混合效果。

技术研发人员：胡玉瑛,潘珍妮,彭小明,胡锋平,慕浩然,王鑫
受保护的技术使用者：华东交通大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/20