一種好氧堆肥模型建立及模擬方法
【專利摘要】本發明涉及一種好氧堆肥模型建立及模擬方法，包括以下步驟：1)建立好氧堆肥模型；2)根據好氧堆肥反應過程中的“質量?熱量?動量”耦合傳遞機理，對好氧堆肥模型進行假設，根據入口質量流量計算出入口流速，再利用無量綱雷洛數可判定流體運動狀態為湍流；3)依據菲克定律和傅里葉定律以及κ?ε湍流方程構建質量傳遞方程、熱量傳遞方程和動量傳遞方程；4)確定好氧堆肥模型的邊界條件；5)確定初始條件，并根據步驟1)～4)對具體模型對象在ANSYS平臺進行幾何建模及網格劃分；6)在ANSYS FLUENT內利用CFD Post模塊對好氧堆肥模型進行模擬計算，得到好氧堆肥模擬結果。本發明可描述好氧堆肥反應過程中溫度、氧氣濃度的空間分布的問題。
【專利說明】
一種好氧堆肥模型建立及模擬方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種模型建立及模擬方法，特別是關于一種基于質量-熱量-動量耦合 傳遞的好氧堆肥模型建立及模擬方法。
【背景技術】
[0002] 目前，好氧堆肥是利用廚房垃圾、畜禽糞便和農作物秸桿等固體廢棄物進行微生 物發酵，其過程主要通過微生物把有機物分解為簡單的化合物，產生的熱量可以殺死病原 菌、寄生蟲卵和雜草種子，最終獲得穩定的腐殖質有機肥料的處理工藝。在好氧堆肥過程 中，足夠的氧氣濃度保證好氧微生物的活動，降低厭氧發酵，一定的高溫可以殺死堆肥中的 有害菌以及蟲卵等，所以對這兩個參數的監測十分必要。
[0003] 好氧堆肥過程數值模型多是均恒堆體的一級動力學模型或者是基于顆粒結構的 好氧速率模型和微生物生長模型等。一級動力學模型或修正的Monod模型，這類模型屬于經 驗或半經驗模型，模型結構較為簡單方便，模擬結果也較為精確，但針對不同物料或者不同 工況需要對系數進行修正，廣譜適應性不好;基于顆粒結構的離散型模型，這類模型依托于 微生物作用機理，結合微觀尺度與顆粒分布函數，屬于機理模型，模型存在一定的適應性， 但由于顆粒分布不同以及顆粒結構的不確定性，這類模型模擬精度較差。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明的目的是提供一種好氧堆肥模型建立及模擬方法，其操作 簡單，實用性強。
[0005] 為實現上述目的，本發明采取以下技術方案:一種好氧堆肥模型建立及模擬方法， 其特征在于：它包括以下步驟：1)建立好氧堆肥初始模型；選取好氧堆肥反應器為研究對 象，好氧堆肥反應器中部為堆體，堆體上部和下部分別為空氣;2)根據好氧堆肥反應過程中 的"質量-熱量-動量"耦合傳遞機理，將好氧堆肥反應器劃分為好氧堆肥多孔介質域和空氣 域;假設好氧堆肥多孔介質域為一均勻多孔介質，假設熱力學參數均為常數，質量等效擴散 系數為常數;假設空氣域為簡單的流動空間，根據入口質量流量計算出入口流速，再利用無 量綱雷洛數判定流體運動狀態為湍流;3)依據菲克定律和傅里葉定律以及K-e湍流方程構 建質量傳遞方程、熱量傳遞方程和動量傳遞方程;4)確定好氧堆肥模型的邊界條件;5)確定 初始條件，并根據步驟1)~4)對具體模型對象在ANSYS平臺進行幾何建模及網格劃分;6)在 ANSYS FLUENT內利用CFD Post模塊對好氧堆肥模型進行模擬計算，得到好氧堆肥模擬結 果。
[0006] 優選地，所述步驟3)中，基于好氧堆肥多孔介質域的"質量-熱量-動量"耦合傳遞 方程如下：1)氧氣濃度質量傳遞方程，該方程主要考慮氧氣組分的擴散、對流以及消耗：
[0008]式中，P〇x為堆體內的氧氣密度，單位為kg/m3，C〇x為堆體內的氧氣體積分數，單位為 m3/m3; vx為x方向速度;vy為y方向速度;vAz方向速度;Dair,。為氧氣濃度的質量擴散系數， 單位為m2/s; e為孔隙率;&為水解作用消耗的氧氣;2)堆體熱量傳遞方程：
[0010] 式中，Prff為堆體與空氣等效密度，單位為kg/m3;ceff堆體與空氣等效比熱容，單位 為J/[kg ? K];Tg為空氣域溫度，單位為K;T為堆體內的溫度，單位為K;keff為等效熱傳導系 數，單位為J/[m ? s ? K] ;Sti為水解產熱；St2為微生物活動產熱；3)好氧堆肥多孔介質內的 動量傳遞方程，在納維斯托克斯方程右邊加入一fSi，表示由多孔介質引起的動量損失：
[0012]式中，Si為由多孔介質引起的動量損失；^為速度，i分別代表x、y、z方向，單位為 m/s; #為重力加速度，單位為kg/m2;Pf為混合氣體的密度，單位為kg/m3; r為表面的切應 力，其受本構方程影響;y為粘度;a為滲透率;C2為慣性阻力系數;p為壓強，單位為Pa; v為合 速度，單位為m/s; vi為某一方向上速度，單位為m/s; 4)基于氧氣濃度質量傳遞方程、堆體熱 量傳遞方程和好氧堆肥多孔介質內的動量傳遞方程得到好氧堆肥多孔介質域的連續性方 程：
[0014]優選地，所述步驟3)中，基于空氣域的"質量-熱量-動量"耦合傳遞方程如下：1)質 量傳遞方程：
[0016]式中，C。為空氣域的氧氣體積分數，單位為m3/m3; P。為氧氣的密度，單位為kg/m3; 2) 熱量傳遞方程：
[0018]式中，pg為混合氣體的密度，單位為kg/m3;cg為空氣域氣體比熱容，單位為J/[kg ? K] ;kg為空氣域氣體熱傳導系數，單位為W/[m ? K] ;3)動量傳遞方程：
[0020]式中，巧為空氣域混合氣體流動速度，1為x、y、z三個方向，單位為m/s;4)基于質量 傳遞方程、熱量傳遞方程和動量傳遞方程得到空氣域的連續性方程：
[0022]優選地，所述步驟4)中好氧堆肥模型邊界條件如下：1)假設空氣域和堆體分別與 反應器壁面接觸的邊界條件均為絕緣絕熱；
[0024]式中，S為溫度、氧濃度及水汽含量，Uj為對應的方向x，y，z的運動粘度，j = x，y，z ; 2)假設堆體與空氣域接觸的邊界為連續性邊界，其邊界條件為交界面處溫度和質量分數通 量為連續性；=尤_1，式中，i為物質，溫度、氧氣濃度及水分;n為交界面朝向的單位 向量；f為空氣通量，f為堆體通量。
[0025]優選地，所述步驟5)中初始條件為:氧氣體積分數優選為0.23m3/m3，溫度優選為 293.15K。
[0026]本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明采用ANSYS FLUENT模 擬計算有效縮短了研究周期，降低了研發成本。2、本發明建立的模型結構，設計科學合理， 實用性強，對好氧堆肥過程管理提供一定的指導意義。3、本發明采用的基于"質量-熱量-動 量"耦合傳遞的好氧堆肥模型，可較好的模擬溫度、氧氣質量分數分層現象。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明整體流程不意圖；
[0028]圖2是本發明好氧堆肥反應器裝置結構示意圖；
[0029]圖3為本發明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型20h中間截面溫度分布示意圖；
[0030] 圖4為本發明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型100h中間截面溫度分布示意圖；
[0031]圖5為本發明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型20h中間截面氧氣質量分數分布示意 圖；
[0032]圖6為本發明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型100h中間截面氧氣質量分數分布示意 圖；
[0033]圖7是本發明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型內堆體中心點溫度隨時間變化的示意 圖；
[0034]圖8是本發明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型內堆體中心點氧氣濃度隨時間變化的 示意圖；
[0035]圖9是本發明ANSYS上好氧堆肥模型示意圖；
[0036]圖10是本發明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型網格劃分示意圖；
[0037]圖11為本發明ANSYS FLUENT中好氧堆肥模型收斂殘差示意圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0039]如圖1~圖8所示，本發明提供一種好氧堆肥模型建立及模擬方法，包括以下步驟：
[0040] 1)建立好氧堆肥初始模型；
[0041 ]選取好氧堆肥反應器為研究對象，其中，好氧堆肥反應器主體為圓柱體，直徑為 450mm，高600mm，容積為100L，理論布氣流量優選為7.45L/min，好氧堆肥反應器中部為堆 體，堆體上部和下部分別為空氣，如圖2所示；
[0042] 2)根據好氧堆肥反應過程中的"質量-熱量-動量"耦合傳遞機理，將好氧堆肥反應 器劃分為好氧堆肥多孔介質域和空氣域;假設好氧堆肥多孔介質域為一均勻多孔介質，多 孔介質在堆肥過程不發生改變;假設熱力學參數(如:熱傳導系數、比熱容、密度等)均為常 數，質量等效擴散系數為常數;假設空氣域為簡單的流動空間，根據入口質量流量計算出入 口流速，再利用無量綱雷洛數可判定流體運動狀態為湍流；
[0043]其中，雷洛數Re計算如下：
(1)
[0045] 式中，v為速度，d為管徑長度，P為密度，y為粘度。
[0046] 由于好氧堆肥反應過程是一個復雜的"質量-熱量-動量"傳遞過程，這個傳遞過程 是相互耦合，溫度的變化會影響微生物的活動，微生物的活動消耗氧氣，氧氣的濃度反作用 于微生物的活動速率，微生物活動與物質降解會產熱，空氣流動會帶走熱量，也為微生物活 動和基質降解提供氧氣；
[0047] 3)依據菲克定律和傅里葉定律以及K-e湍流方程構建質量傳遞方程、熱量傳遞方 程和動量傳遞方程；
[0048] (1)基于好氧堆肥多孔介質域的"質量-熱量-動量"耦合傳遞方程，好氧堆肥由好 氧微生物活動推動的過程，依據菲克定律和傅里葉定律以及湍流方程構建氧氣濃度的 質量傳遞方程、堆體熱量傳遞方程和好氧堆肥多孔介質內的動量方程如下：
[0049] (1.1)氧氣濃度質量傳遞方程，該方程主要考慮氧氣組分的擴散、對流以及消耗：
[0051]式中，為堆體內的氧氣密度，單位為kg/m^Cc^為堆體內的氧氣體積分數，單位為 m3/m3; v^x方向速度，單位為m/s; vy為y方向速度，單位為m/s; v^z方向速度，單位為m/s; Dair,。為氧氣濃度的質量擴散系數，單位為m2/s;e為孔隙率；知 2為水解作用消耗的氧氣，知2 的計算公式如下：
13)
[0053]上式中，Ac為氧氣消耗的指前因子，單位為m3/[kg ? s] ;pc為堆體密度，單位為kg/ m3;E。為堆體的活化能，單位為J/mol;R為摩爾氣體常數，單位為J/[K ? mol];T為堆體內的溫 度，單位為K。
[0054] (1.2)堆體熱量傳遞方程：
[0056] 式中，peff為堆體與空氣等效密度，單位為kg/m3;c eff堆體與空氣等效比熱容，單位 為J/[kg ? K];Tg為空氣域溫度，單位為K;T為堆體內的溫度，單位為K;keff為等效熱傳導系 數，單位為J/[m ? s ? K]; ST1為水解產熱;ST2為微生物活動產熱；
[0057] 其中：
(7) (8)
[0062]上述各式中，Pair為氣體密度，單位為kg/m3;cair為氣體比熱容，單位為J/[kg ? K]; P。為堆體密度，單位為kg/m3;c。為堆體比熱容，單位為J/[kg ? K] ;kair為空氣的熱傳導系數， 單位為W/[m ? K] ;k。為堆體熱傳導系數，單位為W/[m ? K] ;Qb為微生物活動的放熱系數，單位 為J/kg;Pb為微生物的密度，單位為kg/m3;EiS微生物生長的活化能，單位為J/mol;E 2為抑 制微生物生長的活化能，單位為為微生物生長的指前因子，單位為1/8;知為抑制微 生物生長的指前因子;Qc為堆體水解的放熱系數，單位為J/kg;Ac為堆體水解放熱的指前因 子，單位為m 3/[kg ? s] ;Ec為堆體水解的活化能，單位為J/mol。
[0063] (1.3)好氧堆肥多孔介質內的動量傳遞方程，由于計算域為多孔介質，在納維斯托 克斯方程(Navier-Stokes)右邊加入一個Si，表示由多孔介質引起的動量損失：
(9) (10)
[0066]式中，Si為由多孔介質引起的動量損失；巧.為速度，i分別代表x、y、z方向，單位為m/ s; g為重力加速度，單位為kg/m2;Pf為混合氣體的密度，單位為kg/m3; 為表面的切應力， 其受本構方程影響;y為粘度;a為滲透率;C2為慣性阻力系數;p為壓強，單位為Pa; v為合速 度，單位為m/s; vi為某一方向上速度，單位為m/s。
[0067] 根據歐根定理： (11) (12)
[0070] 式中
為粘性阻力系數;Dp為顆粒粒徑，單位為mm，顆粒粒徑在2.5mm至2.71mm之 間。
[0071 ] (1.4)基于氧氣濃度質量傳遞方程、堆體熱量傳遞方程和好氧堆肥多孔介質內的 動量傳遞方程得到好氧堆肥多孔介質域的連續性方程：
(13 )
[0073] (2)基于空氣域的"質量-熱量-動量"耦合傳遞方程：
[0074] (2.1)席量傳遞方耜，
(14)
[0076]式中，C。為空氣域的氧氣體積分數，單位為m3/m3;P。為氧氣的密度，單位為kg/m 3。 [0077] (2.2)熱量傳遞方程：
(15)
[0079] 式中，pg為混合氣體的密度，單位為kg/m3;cg為空氣域氣體比熱容，單位為J/[kg ? K];kg為空氣域氣體熱傳導系數，單位為W/[m ? K]。
[0080] (2.3)動量傳遞方程：
(16；
[0082] 式中，$為空氣域混合氣體流動速度，1為x、y、z三個方向，單位為m/s。
[0083] (2.4)基于質量傳遞方程、熱量傳遞方程和動量傳遞方程得到空氣域的連續性方 程：
(17)
[0085] 4)確定好氧堆肥模型的邊界條件，堆體主要接觸空氣域和反應器壁面，入口空氣 域主要接觸反應器壁面和入口以及堆體，出口空氣域主要接觸反應器壁面和出口以及堆 體；
[0086] (1)假設空氣域和堆體分別與反應器壁面接觸的邊界條件均為絕緣絕熱；
(18)
[0088]式中，S為溫度、氧濃度及水汽含量，j為對應的方向x，y，z。
[0089] (2)假設堆體與空氣域接觸的邊界為連續性邊界，其邊界條件為交界面處溫度和 質量分數通量為連續性；
[0090] <j)frn = ^!〇mus? (19)
[0091] 式中，i為物質，溫度、氧氣濃度及水分;n為交界面朝向的單位向量；為空氣通 量，為為堆體通量。
[0092] 5)確定初始條件，并根據步驟1)~4)對具體模型對象在ANSYS平臺進行幾何建模 及網格劃分;其中，初始條件為:氧氣體積分數優選為〇. 23m3/m3，溫度優選為293.15K;
[0093] 6)在ANSYS FLUENT內利用CFD Post模塊對好氧堆肥模型進行模擬計算，得到好氧 堆肥模擬結果，如圖3-圖8所示。
[0094]實施例：以氧氣體積分數0.23m3/m3、溫度293.15K為初始條件，在ANSYS平臺進行流 場模擬：
[0095] 1)幾何建模：以實驗室好氧堆肥反應器為研究對象，如圖2所示，反應器主體為圓 柱體，直徑為450mm，高600mm，容積為100L。氣體流入口直徑為10mm，氣體流出口直徑為 10mm。根據ANSYS workbench下的Geometry模塊進行幾何模型建立，如圖9所示。設置空氣域 body和好氧堆肥多孔介質域body為一個part。
[0096] 2)網格劃分：ANSYS FLUENT流體分析的前處理的單元屬性定義在ANSYS workbench下的mesh模塊，設置好氧堆肥多孔介質域設置為六面體網格，空氣域為四面體網 格，如圖10所示。
[0097] 3)求解器FLUENT設置，通常FLUENT模擬設置步驟如下：
[0098] a?讀取3D mesh文件（File-Read-Case)，并check和scale。
[0099] b ?選取model，激活energy模塊，viscous模塊，species模塊。
[0100] c ?設置材料特性，Materials中mixture設置air mixture為vapor、oxygen和 nitrogen。
[0101] d?設置邊界條件，boundary conditions，入口邊界inlet為mass flow inlet， mass flow rate為0.000160175kg/s;出口邊界為pressure outlet，Gauge pressure為0， 壁面邊界為wall，設置為絕緣;接觸邊界為interior。
[0102] e ?在def ine-User-defined-Functions-Compiled 中設置 UDF。
[0103] f?設置計算域，在cell zone condition中有compost、part_air_in、part_air_ out三個部分，其中compost為多孔介質，需要激活porous zone和sources term。
[0104] g.設置壓力求解器，進行瞬態計算。
[0105] 其中，部分參數設置如表1所示。
[0106] 表1
[0108] 4)過程檢測，檢測殘差，continuity、x_velocity、y_velocity、z_velocity、k、 epsilon、vapor、oxygen殘差小于0.001收斂，energy殘差小于1(T6為收斂，如圖11所示。 [0109]綜上所述，本發明利用CFD Post模塊進行后處理，其瞬態模擬時間長度為170h。如 圖3、圖4所示，截取中間面讀取其在20h和100h時的溫度分布結果，可發現其溫度呈現分層 狀態且下層高于上層。如圖5、圖6所示，截取中間面讀取其在20h和100h時的氧氣質量分數 分布結果，可發現其氧氣質量分數呈現分層狀態且下層高于上層。如圖7所示，讀取堆體中 心點位置的溫度隨時間變化情況，其溫度隨時間遞增。如圖8所示，讀取堆體中心點位置的 氧氣質量分數隨時間變化情況，其溫度隨時間遞減。從結果來看，基于"質量-熱量-動量"耦 合傳遞的好氧堆肥模型可較好的模擬溫度、氧氣質量分數分層現象，其中空氣流動引起分 層，氧氣高對應的溫度也高。由此可見，本發明能較好的描述好氧堆肥反應過程中溫度、氧 氣濃度的空間分布及隨時間變化，對好氧堆肥過程管理提供一定的指導意義。
[0110]上述各實施例僅用于說明本發明，各個步驟都是可以有所變化的，在本發明技術 方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別步驟進行的改進和等同變換，均不應排除在本發 明的保護范圍之外。
【主權項】
1. 一種好氧堆肥模型建立及模擬方法，其特征在于:它包括以下步驟： 1) 建立好氧堆肥初始模型； 選取好氧堆肥反應器為研究對象，好氧堆肥反應器中部為堆體，堆體上部和下部分別 為空氣； 2) 根據好氧堆肥反應過程中的"質量-熱量-動量"耦合傳遞機理，將好氧堆肥反應器劃 分為好氧堆肥多孔介質域和空氣域;假設好氧堆肥多孔介質域為一均勻多孔介質，假設熱 力學參數均為常數，質量等效擴散系數為常數;假設空氣域為簡單的流動空間，根據入口質 量流量計算出入口流速，再利用無量綱雷洛數判定流體運動狀態為湍流； 3) 依據菲克定律和傅里葉定律以及κ-ε湍流方程構建質量傳遞方程、熱量傳遞方程和 動量傳遞方程； 4) 確定好氧堆肥模型的邊界條件； 5) 確定初始條件，并根據步驟1)~4)對具體模型對象在ANSYS平臺進行幾何建模及網 格劃分； 6) 在ANSYS FLUENT內利用CFD Post模塊對好氧堆肥模型進行模擬計算，得到好氧堆肥 模擬結果。2. 如權利要求1所述的一種好氧堆肥模型建立及模擬方法，其特征在于：所述步驟3) 中，基于好氧堆肥多孔介質域的"質量-熱量-動量"耦合傳遞方程如下： 1) 氧氣濃度質量傳遞方程，該方程主要考慮氧氣組分的擴散、對流以及消耗：式中，Pox為堆體內的氧氣密度，單位為kg/m3，Cm為堆體內的氧氣體積分數，單位為m 3/ m3; vx為X方向速度;vy為y方向速度;vz為z方向速度;Dair,。為氧氣濃度的質量擴散系數，單位 為m2/s; ε為孔隙率；知2為水解作用消耗的氧氣； 2) 堆體熱量傳遞方程：式中，Prff為堆體與空氣等效密度，單位為kg/m3; Crff堆體與空氣等效比熱容，單位為J/ [kg · K];Tg為空氣域溫度，單位為K;T為堆體內的溫度，單位為K;keff為等效熱傳導系數，單 位為J/[m · s · K]; Sn為水解產熱;St2為微生物活動產熱； 3) 好氧堆肥多孔介質內的動量傳遞方程，在納維斯托克斯方程右邊加入一AS1，表示由 多孔介質引起的動量損失：式中，Si為由多孔介質引起的動量損失；$為速度，i分別代表x、y、z方向，單位為m/s; I 為重力加速度，單位為kg/m2;pf為混合氣體的密度，單位為kg/m3; ^為表面的切應力，其受 本構方程影響;μ為粘度;α為滲透率;C2為慣性阻力系數;p為壓強，單位為Pa; V為合速度，單 位為m/s; Vi為某一方向上速度，單位為m/s; 4)基于氧氣濃度質量傳遞方程、堆體熱量傳遞方程和好氧堆肥多孔介質內的動量傳遞 方程得到好氧堆肥多孔介質域的連續性方程：3. 如權利要求1所述的一種好氧堆肥模型建立及模擬方法，其特征在于：所述步驟3) 中，基于空氣域的"質量-熱量-動量"耦合傳遞方程如下： 1) 質量傳遞方程：式中，C。為空氣域的氧氣體積分數，單位為m3/m3; P。為氧氣的密度，單位為kg/m3; 2) 熱量傳遞方程：式中，Pg為混合氣體的密度，單位為kg/m3;Cg為空氣域氣體比熱容，單位為J/[kg · K] ;kg 為空氣域氣體熱傳導系數，單位為W/[m · K]; 3) 動量傳遞方程式中，P/為空氣域混合氣體流動速度，1為x、y、z三個方向，單位為m/s; 4) 基于質量傳遞方程、熱量傳遞方程和動量傳遞方程得到空氣域的連續性方程：4. 如權利要求1所述的一種好氧堆肥模型建立及模擬方法，其特征在于:所述步驟4)中 好氧堆肥模型邊界條件如下： 1) 假設空氣域和堆體分別與反應器壁面接觸的邊界條件均為絕緣絕熱；式中，S為溫度、氧濃度及水汽含量，Uj為對應的方向X，y，z的運動粘度，j = X，y，z; 2) 假設堆體與空氣域接觸的邊界為連續性邊界，其邊界條件為交界面處溫度和質量分 數通量為連續性；式中，i為物質，溫度、氧氣濃度及水分;η為交界面朝向的單位向量；為空氣通量， 為堆體通量。5.如權利要求1所述的一種好氧堆肥模型建立及模擬方法，其特征在于:所述步驟5)中 初始條件為:氧氣體積分數優選為〇. 23m3/m3，溫度優選為293.15K。
【文檔編號】G06F17/50GK105893651SQ201610064156
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年1月29日
【發明人】陳龍健, 何雪琴, 韓魯佳, 黃光群, 曾劍飛, 黃晶, 葛金怡
【申請人】中國農業大學