基于计算流体力学的生物反应器流场模拟及结构优化

论文摘要

搅拌釜式生物反应器在发酵和细胞培养等生物技术领域中的应用非常广泛。目前虽然对其已有许多的实验和理论研究,但有关的理论及设计计算方法仍不完善,生物反应器的设计和放大还主要是依靠半经验方法来解决。如何提高反应器设计和放大的准确性,以及对反应器内流场的优化,已成为反应器设计中的重要问题。近年来,迅速发展起来的计算流体力学为解决这些问题提供了有效手段。首先本文介绍了搅拌釜式生物反应器的基本结构,并对釜内的单项流进行模型构建。通过将模拟结果与实验数据对比,验证了数值模拟方法的可行性。随后对影响搅拌釜内部流场形式的釜体结构、桨叶结构以及挡板形式进行对比分析,确定了搅拌釜各个部件的优化结构,为搅拌釜的整体设计提供理论依据。为了直观揭示流体的运动规律,本文采用MRF法及SM法对搅拌釜内示踪剂的传质混合过程进行模拟,发现采用SM法能减少物质均匀混合的时间。最后根据工程中的通用放大准则,对搅拌釜进行放大模拟,并对其放大准则进行分析,发现现存的放大准则还存在缺陷,有待改进。其次本文建立了温度场的数值模型,并采用SM法对三种加热结构进行对比模拟分析。分析结果表明受搅拌桨产生流型的影响,流动场达到稳定后釜内的温度分布趋势基本不随时间变化,且搅拌桨区域的温度低于壁面附近的温度,采用整体壁面加热方式时,由于加热面积大,釜内的流体能较快的达到温度均衡。最后本文建立了气液两相流的数值模型,采用MRF法对通气孔离釜底距离、通气结构以及通气速率对气含率的影响进行分析。分析表明通气孔离釜底距离对气含率的影响不大;在相同表观气速下采用单通气孔结构比分布环结构的气含率高,但是大分布环的通气结构能有效防止气泛;通气速度在一定范围内增加会增大搅拌釜内的气含率,但是通气速度过大造成有气体直接从液面溢出,发生气泛,降低气含率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 机械搅拌式生物反应器的影响因素
• 1.2.1 溶氧
• 1.2.2 剪切力
• 1.2.3 混合
• 1.2.4 温度
• 1.3 CFD 研究方法及其应用
• 1.3.1 CFD 方法
• 1.3.2 CFD 在搅拌釜式生物反应器中的应用
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 搅拌釜式生物反应器单相流场模拟
• 2.1 典型搅拌釜结构
• 2.2 数值模拟策略
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 搅拌系统研究方法
• 2.2.4 网格划分及边界条件
• 2.2.5 模拟数据与实验数据的对比
• 2.3 搅拌系统优化分析
• 2.3.1 釜体优化
• 2.3.2 桨叶优化
• 2.3.3 挡板优化
• 2.3.4 搅拌转速的分析
• 2.4 混合过程的模拟
• 2.4.1 组分方程
• 2.4.2 模拟方法
• 2.4.3 示踪剂加料区
• 2.4.4 结果分析
• 2.5 搅拌釜放大模拟
• 2.5.1 几何相似放大
• 2.5.2 非几何相似放大
• 2.6 本章小结
• 第3章 温度场模拟
• 3.1 温度场的数值模拟方法
• 3.1.1 数学模型
• 3.1.2 温度场计算参数的选择
• 3.2 加热模型对比分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 气液两相流场模拟
• 4.1 数学模型
• 4.1.1 输运模型
• 4.1.2 相间作用力
• 4.2 研究对象及CFD 设置
• 4.2.1 搅拌釜通气结构
• 4.2.2 模拟方法及网格化分
• 4.2.3 边界条件
• 4.3 模拟结果分析
• 4.3.1 通气位置对比分析
• 4.3.2 通气结构优化分析
• 4.3.3 通气速率优化分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢