含光生化反應(yīng)的多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)及傳輸特性的格子Boltzmann模擬.pdf

1、由于人類過(guò)度開(kāi)發(fā)利用傳統(tǒng)的化石能源，同時(shí)新能源體系尚未建立，造成了全球環(huán)境污染、能源危機(jī)以及嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞。未來(lái)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展要求我們開(kāi)發(fā)和利用清潔的可再生能源來(lái)代替化石能源，從而建立人類與自然的和諧關(guān)系。在眾多可代替能源中，氫能是目前最理想的能源，它具有熱值高、燃燒穩(wěn)定性好及清潔高效的優(yōu)點(diǎn)。在各種制氫方法和技術(shù)中，光生物制氫技術(shù)是微生物利用太陽(yáng)能通過(guò)降解有機(jī)物來(lái)供給自身生長(zhǎng)，同時(shí)產(chǎn)生氫能的一種新技術(shù)。該技術(shù)反應(yīng)條件溫和、能耗低、

2、能妥善解決能源與環(huán)境的矛盾，被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的綠色能源技術(shù)。
　　目前，對(duì)光生物制氫已經(jīng)展開(kāi)了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并將基于膜生物法和凝膠顆粒包埋法的細(xì)胞固定技術(shù)應(yīng)用到生物制氫中，從而提高反應(yīng)器內(nèi)的生物量及運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)，也有許多學(xué)者采用數(shù)值方法對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)及傳輸現(xiàn)象進(jìn)行理論研究。但是，這些數(shù)值方法主要是基于宏觀傳統(tǒng)算法，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)的微細(xì)觀流動(dòng)及傳輸過(guò)程不能夠較好的反映，并且對(duì)于復(fù)雜邊界條件其難以達(dá)到較高的數(shù)值精度

3、和穩(wěn)定性。近年來(lái)，一種新型的介觀尺度算法——格子Boltzmann方法出現(xiàn)，它具有算法簡(jiǎn)單、天然的并行性及容易處理復(fù)雜邊界條件的優(yōu)勢(shì)。本研究以圓柱體管束和玻璃珠堆積顆粒的膜生物反應(yīng)器、以及包埋顆粒填充床反應(yīng)器為背景，利用格子Bolzmann方法對(duì)這些多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)、傳輸及光生化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　?、偈紫?，從連續(xù)Boltzmann方程出發(fā)，推導(dǎo)得到了時(shí)間、空間和速度上完全離散的格子Boltzman

4、n方程；利用Chapman-Enskog展開(kāi)技術(shù)，從格子Boltzmann方程反演得到宏觀方程，進(jìn)而建立了介觀模型參數(shù)和宏觀物理量間的關(guān)系。然后，根據(jù)所研究的物理問(wèn)題設(shè)計(jì)了合適的格子Boltzmann傳質(zhì)模型及邊界處理格式，且通過(guò)算例的模擬計(jì)算，證明了格子Boltzmann方法的可行性。
　?、诶?D格子Boltzmann傳質(zhì)模型研究了溶液橫掠具有光生化表面的單圓柱及圓柱體管束構(gòu)成的規(guī)則多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)及傳輸特性。得到了不同條件

5、下的流場(chǎng)及濃度場(chǎng)分布，并研究分析了進(jìn)口流速、管間距及管束排列方式對(duì)平均阻力系數(shù)、平均Sherwood數(shù)及平均降解效率的影響。模擬結(jié)果表明：進(jìn)口流速增加，平均Sherwood數(shù)增大、平均阻力系數(shù)及降解效率降低；管間距減小，平均阻力系數(shù)、平均Sherwood數(shù)及降解效率均增大；管束采用叉排排列時(shí)，平均Sherwood數(shù)和降解效率均增大，平均阻力系數(shù)略有降低，說(shuō)明叉排排列方式更有利于傳質(zhì)及光生化反應(yīng)過(guò)程。
　?、劾?D格子Boltzm

6、ann傳質(zhì)模型研究了具有光生化表面的單顆粒及堆積顆粒構(gòu)成的規(guī)則多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)、傳輸及光生化反應(yīng)過(guò)程，該研究從二維拓展到三維。在計(jì)算中，將格子Boltzmann模型與多塊模型耦合來(lái)提高計(jì)算效率。研究了光照強(qiáng)度、進(jìn)口流速及顆粒堆積方式對(duì)流場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布的影響，并且對(duì)其產(chǎn)氫性能也進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明：光照強(qiáng)度為6000lx時(shí)，產(chǎn)氫性能最高；進(jìn)口流速的增大，產(chǎn)氫性能降低；體心立方結(jié)構(gòu)的顆粒堆積方式，阻力系數(shù)略低，但產(chǎn)氫性能較高。
　?、?/p>

7、用表征體元尺度的格子Boltzmann模型研究了有機(jī)廢水溶液繞流多孔包埋顆粒的流動(dòng)、傳輸及其內(nèi)部的光生化反應(yīng)過(guò)程。計(jì)算中，將該模型與多塊模型耦合來(lái)提高計(jì)算效率，研究了光照強(qiáng)度、進(jìn)口流速、多孔包埋顆粒的滲透率及孔隙率的影響。結(jié)果表明：光照強(qiáng)度為6000lx時(shí)，光能轉(zhuǎn)化效率最高，產(chǎn)氫性能最佳；進(jìn)口流速增大，產(chǎn)氫性能明顯降低；隨著多孔包埋顆粒滲透率的增大，產(chǎn)氫得率增加，而底物降解效率減?。浑S著多孔包埋顆?？紫堵实脑龃螅a(chǎn)氫得率略有降低，而底物

8、降解效率增加，并且在孔隙率大于0.5時(shí)，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。
　?、萦酶褡覤oltzmann模型在孔隙尺度上研究了光合細(xì)菌單包埋顆粒反應(yīng)器內(nèi)的光生化反應(yīng)過(guò)程。計(jì)算中，利用四參數(shù)隨機(jī)生長(zhǎng)法重構(gòu)了包埋顆粒內(nèi)的不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)。研究了包埋顆粒的孔隙率對(duì)流動(dòng)、傳質(zhì)及產(chǎn)氫性能的影響，且模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。此外，提出了一種格子Boltzmann多尺度模型，用該模型跨尺度研究了包埋顆粒填充床反應(yīng)器內(nèi)的光生化反應(yīng)過(guò)程，既獲得了包埋顆粒內(nèi)微細(xì)觀的