基于CFD的圆柱形光生物反应器光发酵产氢过程中流体动力学、传热与光分布的综合建模研究

《Biomass and Bioenergy》：Integrated CFD based modelling for hydrodynamics, heat transfer, and light distribution in a cylindrical photobioreactor for photo fermentative biohydrogen production

本文通过计算流体动力学（CFD）模拟，系统研究了用于光发酵产氢的圆柱形环隙光生物反应器（CAPBR）内的流体动力学、温度分布和光辐射场。研究证实，在200 rpm磁力搅拌下，反应器内可实现有效混合（雷诺数5000-10000）和适宜的温度分布（30–33 °C），并通过离散坐标法（DOM）验证了均匀的光分布。该CFD模型为优化光生物反应器设计、提高生物氢（H2）产量（以马铃薯废弃物为底物可达240 mL H2/g碳水化合物）提供了重要理论框架，对开发可再生废弃物能源转化技术具有指导意义。

　　

Highlight

结果与讨论

实验测得的光生物反应器产氢效率为：以马铃薯废弃物为底物时，产氢量为240 mL H₂/g碳水化合物；而使用合成暗发酵出水（DFE）时，产氢量为212.4 mL H₂/g总挥发性脂肪酸（TVFA）。此外，研究采用ANSYS 2024 R1（学生版）Workbench平台集成Fluent软件，对2升圆柱形环隙光生物反应器（CAPBR）进行了计算流体动力学（CFD）模拟，以探究流体动力学、温度与辐射分布以及示踪粒子的速度流线。

讨论

本研究成功模拟并分析了用于光发酵产氢的CAPBR反应器内的流体动力学、温度和辐射分布，该反应器使用球形红细菌（Rhodobacter sphaeroides）和马铃薯废弃物底物。通过CFD模拟生成的示踪粒子速度流线图显示了受磁力搅拌和磁珠存在影响的流动模式。与使用叶轮的传统搅拌釜反应器不同，磁力搅拌系统产生了独特的流动特性。

结论

本研究利用ANSYS Fluent 2024 R1（学生版）对2升CAPBR进行了全面的三维CFD研究，模拟了以球形红细菌O.U.001利用马铃薯废弃物进行光发酵产氢过程中的流体动力学、温度和辐射分布。在200 rpm磁力搅拌和0.5 cm网格条件下，k-ε湍流模型收敛至10^?4残差，准确预测了温度分布（30–33 °C）、湍流动能分布（反应器底部峰值）以及通过离散坐标法（DOM）验证的均匀光分布。