CC BY
51
УДК 631.171
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА
ANSYS ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ
В БИОРЕАКТОРАХ
Р.Г. Шаяхметов, аспирант
Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова E-mail: ramil-shayakhmetov@mail.ru
Аннотация. В статье описан пример использования программного комплекса Ansys Fluent для моделирования процессов перемешивания животноводческих стоков в анаэробном биореакторе. Разработаны критерии эффективности процесса перемешивания, а также методика оценки эффективности перемешивания, основывающаяся на оценке полей температур и скоростей биореактора с помощью функции желательности Е.К. Харрингтона. Среди критериев оценки эффективности выделены равномерность температурного и гидродинамических полей, величины максимальных скоростей движения субстрата, объемная доля застойных зон и зон эффективных температур режима сбраживания. Комплексная методика анализа эффективности процесса перемешивания в биореакторе включает в себя анализ конструкций, построение геометрической модели, проведения численных экспериментов в программной среде моделирования процессов гидрогазодинамики. Проведены численные расчеты температурных и гидродинамических полей биореакторов различной конструкций, расчет и сравнение коэффициентов желательности Харрингтона. Проанализированы результаты численных экспериментов, показавшие целесообразность внедрения в конструкцию биореактора конусообразных циркуляционных труб. Ключевые слова: анаэробный, биореактор, перемешивание, Харрингтон, биогаз.
Одним из факторов, влияющих на эффективность работы биореакторов, является интенсивность процесса перемешивания. Перемешивание способствует выравниванию концентраций метаболитов, образующихся в процессе брожения и являющихся промежуточными субстратами для микроорганизмов или ингибиторами их жизнедеятельности, а также концентрации токсичных веществ, содержащихся в загружаемом осадке, поддержанию тесного контакта между бактериальными ферментами и их субстратами и т.д.
При плохом перемешивании снижается эффективный объем биореактора и сокращается время пребывания в нем осадка, а следовательно, распад органического вещества и выход биогаза. При внедрении в конструктив новых устройств необходимо следить за эффективным объемом биореактора, полученном после установки нового приспособления. Известны случаи сокращения полезного объема биореактора на 70% [1]. Наиболее значимо влияние неэффективного перемешивания в сочетании с понижением тем-
пературы или при коротком времени пребывания осадка в биореакторе. Снижение эффективного объема биореактора на 50% за счет плохого перемешивания при I = 35^ уменьшает эффективность сбраживания при большом времени пребывания (более 30 суток) на 5%, а при ^ = 30^ - на 16%. Целью работы является изучение возможности использования программного комплекса SYS для оценки эффективности перемешивания субстрата в биореакторе.
Для определения наиболее эффективных конструкций были выделены критерии оценки эффективности:
1. Значения максимальных скоростей движения субстрата, м/с (у3). Определяется значениями на полях скоростей.
2. Объемная доля застойных зон в биореакторе, % (у5). Определяется отношением объема зон с температурным и гидродинамическим режимом, не обеспечивающим температурный режим сбраживания и скорости перемешивания в котором близки или равны нулю, к общему объему биореактора.
3. Равномерность поля температур в объеме биореактора, % (y1). Определяется отношением объема зон с равномерным температурным полем к общему объему биореактора.
4. Равномерность поля скоростей в объеме биореактора, % (y2). Определяется отношением объема зон с равномерным полем скоростей к общему объему биореактора.
5. Объем биореактора, занимаемый дополнительным устройством, % (y4). Определяется отношением объема, занимаемого дополнительной конструкцией, к общему объему биореактора.
6. Объемная доля зон, занимаемых температурой режима сбраживания в биореакторе, % (y6). Определяется отношением объема зон с соблюдением температурного режима сбраживания к общему объему биореактора.
Одним из методов изыскания конструкций с эффективным перемешиванием является математическое моделирование в программном комплексе Ansys Workbench, позволяющем производить моделирование процессов гидрогазодинамики. Он сопрягается с большинством CAD-пакетов и позволяет моделировать физические процессы с использованием построенных в конструкторских программах трехмерных моделей, снимая необходимость передачи модели из одной программы в другую.
Комплексная методика анализа эффективности процесса перемешивания состоит из следующих этапов:
1. Определение перечня анализируемых конструкций биореакторов.
2. Построение геометрических моделей различных конструкций биореакторов в графическом редакторе 3D-моделирования.
3. Проведение численного эксперимента и получение температурных и гидродинамических полей биореакторов с помощью разработанной математической модели.
4. Измерение значений параметров y(1)... y(n) для различных конструкций биореакторов.
5. Распределение полученных в результате эксперимента значений параметров y(1)... y(n) по шкале желательности Е.К. Харрин-гтона и построение функций желательности.
В качестве критерия оптимизации конструкции биореактора предлагается критерий, учитывающий величины частных критериев у1...у6. Для вывода критерия используется обобщенная функция желательности Е.К. Харрингтона, позволяющая разные по своей физической сущности и своей размерности частные параметры оценки эффективности перевести в безразмерную шкалу оценки, а затем свернуть в единый обобщенный критерий.
За основу математического аппарата пересчета конкретных параметров в абстрактные числовые значения принята одна из логистических функций Е.К. Харрингтона -«кривая желательности», исключающая необходимость построения функции каждого параметра для каждой конструкции и существенно сокращающая время проведения анализа. Шкала желательности делится в диапазоне от 0 до 1 на пять поддиапазонов, конкретные параметры сравниваемых систем распределяются в масштабе, соответствующем предъявляемым к ним требованиям, на промежутке эффективных значений шкалы частных показателей (таблица 1). Затем соответствующие им показатели у1, у2...у6 пересчитываются в отметки на шкале желательности , d2... d6.
1. Вычисление обобщенного коэффициента желательности Б. Полученное значение d(i) для /-го параметра переводится вместе с другими в обобщенный коэффициент желательности Б: Б = , где
п - число используемых показателей параметров сравнения для данной системы.
2. Сравнительный анализ коэффициентов Б для различных конструкций биореакторов
3. Выбор наиболее оптимальной конструкции на основе сравнительного анализа.
В качестве экспериментальных конструкций испытаны существующие запатентованные конструкции биореакторов с различными вариантами циркуляционных устройств.
На сегодняшний день рассмотрено более тридцати конструкций биореакторов, отличающихся между собой формой резервуара и типами циркуляционных устройств: биоре-
актор с цилиндрической циркуляционной трубой различного диаметра, биореактор с цилиндрической трубой в форме усеченного конуса расширяющейся частью вверх и вниз, ромбообразными, трапецеидальными и другими конструкциями.
Геометрическая модель биореактора построена в ANSYS DesignModeler и состоит из биореактора с различными конструкциями циркуляционных труб. Первоначально на одной из плоскостей строится чертеж, соответствующий профилю изображения полови-
Далее построенная модель с сеткой экспортируются в программную среду Fluent, являющуюся основной в процессе моделирования. Здесь выполняется задание материалов, расчетной модели, начальных условий, граничных условий, настройка решателя, сохранение проекта для его дальнейшего неоднократного использования, запуск расчета и получение результатов в наглядном виде с помощью цветной легенды. В результате проведенных экспериментов получены поля температур (рис.1 а-в) и скоростей (рис.1 г-е).
В таблице 2 указаны данные моделирования процесса перемешивания нескольких
ны плоскости биореактора. С помощью инструмента "Revolve" образуется 3D-модель половины биореактора, с которой производится дальнейшая работа. Далее модель была импортирована в программную среду AN-SYS Mesh, в которой производится построение сетки. Различные функции данной подпрограммы позволяют создавать сетку с различными размерами ячейки, определяя этим точность выполняемых вычислений. Кроме построения сетки, в данной подпрограмме проводится назначение расчетных зон [2].
конструкций биореакторов. Среди рассматриваемых конструкций основным принципом являлись параметры циркуляционной трубы, ее размеры, количество и угол наклона. Полученные поля оценивались по признаку однородности (соблюдения единого температурного режима во всем объеме), объема области с соблюдением необходимого для анаэробного сбраживания температурного режима. Среди основных критериев определения эффективности конструкций необходимо учитывать процент застойных (холодных) зон, сокращающих эффективный рабочий объем биореактора.
SOte'O ^В 5 69840 H 5 788^0 S в7е*0 И 55вв^О 5<5иО 5 Э4е«0 5 23е*0
■ 5 1ÎB-0 SOIeiO
^Н . 90840 H 4 шею H *69e40 H 4 SBe'O
■ 4.7« _ 4 36840 H 42S846 H 4 14840 H 4 03840
^H 3 92840
Contours of Static Temperatuio (c> April.2013 Contours of Static Temperature (c) Fe025.2013 Contours ot Static Temperature {cl April.2013
ANSYS FLUENT 13.0 (3d, dp. pons, skel ANSYS FLUENT 13.0 (3d, (Mais, ska) ANSYS FLUENT 13 0 (3d, dp pbns. ske)
Contour* 01 Velocity Magnitude (mis) Мау0в.2013 Contour* ot Velocity Magnitude (mrt) May 07 2013 Contours ot Velocity Magnitude (nVs) May 07. 2013
ANSYS FLUENT 13.0 (3d. pbns ske) ANSYS FLUENT 13 0 (3d. dp. pbns skel ANSYS FLUENT 13.0 (3d. dp. ptms. ska)
Рис. 1. Поля температур и скоростей биореакторов различных конструкций
Таблица 2. Аналитические данные проведенных экспериментов
Виды конструкций биореакторов Равномерность поля температур >"1,% Равномерность поля скоростей >2,% Значения скоростей перемешивания субстрата >3, м/с Объем, занимаемый доп. устройством >4,% Объемная доля застойных зон >5, % Объемная доля зон температуры режима сбраживания >6,% Обобщенный коэффициент желательности D
Стандартная конструкция 25 40 0,1 0 38 31 0,38
Биореактор с конусообразной циркуляционной трубой расширением вверх 15 55 0,3 25 27 15 0.4
Биореактор с цилиндрической циркуляционной трубой 40 50 0,46 15 18 26 0,48
Биореактор с конусообразной циркуляционной трубой расширением вниз 60 75 0,38 15 7 34 0,74
Биореактор с двумя конусообразными циркуляционными трубами 81 85 0.62 23 4 35 0,82
Биореактор с двумя конусообразными циркуляционными трубами и измененными углами нижней части 83 87 0,66 24 3 37 0,86
В расчете принят термофильный режим сбраживания, т.к. при нем наблюдается повышенная скорость разложения сырья и более высокий выход биогаза. Как можно заметить, во всех конструкциях максимальные температуры и скорости наблюдаются в центральной зоне - зоне циркуляционной трубы непосредственно от входа до выхода. Следовательно, основным критерием оценки будут параметры температур и скоростей в других зонах биореактора. Наименьшие температуры наблюдаются на краях конструкций в зависимости от температуры наружного воз-
духа. Максимальная температура поступающего субстрата - на входе и в верхних зонах у входа, в нижних зонах температура незначительно снижается. В некоторых областях температура менее 53°С, т.е. в данных зонах не соблюдается термофильный режим сбраживания и процесс неэффективен.
Высокую однородность температуры имеют конструкции, включающие в себя по две конусообразные циркуляционные трубы. За счет грамотного размещения механизмов происходит перемешивание во всех зонах биореактора, наблюдается равномерность
температуры во всем объеме. Рассматривая поля скоростей, необходимо обратить внимание на различие результатов между стандартными конструкциями и биореакторами с циркуляционными коническими трубами. Благодаря установке трубы, содержимое биореактора перемешивается более эффективно не только в центральной зоне, но и в большей части своего объема. Среди конструкций с циркуляционными трубами на основании полей скоростей выбрать наиболее эффективную достаточно сложно, т.к. все модели показали близкие скорости, отличаясь наличием таких скоростей в разных зонах.
Основываясь на полученных полях температур и скоростей, можно сделать вывод, что в стандартной конструкции биореактора, без циркуляционной трубы, температурный режим сбраживания субстрата не соблюдается в 40% объема, перемешивание субстрата происходит только в центральной зоне биореактора. В биореакторе данного типа образуются застойные зоны, занимающие до 60% объема биореактора, а в остальных зонах скорость перемешивания не более 0,1 м/с. По результатам экспериментальных исследований установлено, что устройство в конструкции биореактора конусообразной циркуляционной трубы расширением вниз повышает интенсивность перемешивания как минимум на 15%. В данном типе конструкции преобладает 40-60% равномерность температурного поля. На поле скоростей показано, что для перемешивания используется весь объем биореактора, застойных зон не более 20-25%.
В соответствии с результатами экспериментальных исследований выявлена целесообразность внедрения в конструктив двух конусообразных циркуляционных труб в центральной и нижней части биореактора, что по сравнению со стандартными конструкциями данного типа позволяет повысить стабильность температурного и гидродинамического поля на 45-55%, также в данной конструкции скорости движения субстрата выше, чем в остальных рассмотренных, на
0.1.0,15 м/с. В 60-85% объема данных конструкций зафиксировано равномерное поле температур. Изменение конструкции нижней части биореактора, позволяющее приблизить его к яйцеобразной форме, также уменьшает на 5-10% количество застойных зон, повысив эффективность работы биореактора. Данный тип конструкции можно рекомендовать для практического использования, в результате чего выход биогаза будет максимальным.
Литература:
1. Гюнтер Л.И. Метантенки. М.: Стройиздат, 1991.
2. Шаяхметов Р.Г., Исаков В.Г. Численное моделирование процесса циркуляционного перемешивания осадков сточных вод в метантенках // Актуальные проблемы современного строительства. Пенза, 2011.
3. Effect of mixing digested slurry on the rate of biogas production from dairy // Energy Sources. 2001. №23.
Literatura:
1. Gyunter L.I. Metantenki. M.: Strojizdat, 1991.
2. SHayahmetov R.G., Isakov V.G. CHislennoe modeliro-vanie processa cirkulyacionnogo peremeshivaniya osadkov stochnyh vod v metantenkah // Aktual'nye prob-lemy sovremennogo stroitel'stva. Penza, 2011.
3. Effect of mixing digested slurry on the rate of biogas production from dairy // Energy Sources. 2001. №23.
EXPERIENCE OF ANSYS SOFTWARE USING FOR LIVESTOCK RUNOFF'S MIXING PROCESSES MODELONG R.G. Shayakhmetov, post graduated student Izhevsk state technical university after M.T. Kalashnikov
Abstract. This article describes an example of the Ansys Fluent software using to model the animal runoffs mixing processes in the anaerobic bioreactor. The criteria of the mixing process effectiveness and its efficiency evaluating methodology based on temperature fields assessment and bioreactor's velocities with E.K. Harrington desirability function using are developed. Among the evaluating criteria of efficiency there the uniformity of temperature and hydrodynamic fields, the substrate moving velocities, the stagnant zones volume fraction and zones of effective temperature of digestion regime are selected. Complex method of the mixing process effectiveness analysis in the bioreactor includes the structures analyzing, geometrical model constructing, number of the estimated experiments in software shell modeling of fluid dynamics processes holding. The numerical calculation of the thermal and hydrodynamic fields of different designs bioreactors, calculation and comparison of the Harrington desirability coefficients. The results of the numerical experiments showed the feasibility of cone-shaped circulation pipes' including in bioreactor design are analyzed.
Keywords: anaerobic, bioreactor, mixing, Harrington, biogas.
