- 1 - 搅拌釜式生物反应器的搅拌釜式生物反应器的 CFD 模拟模拟 温文，倪邦庆，吴岩 江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 (214122) E-mail：hiww0118@ 摘摘 要要：：本文用Fluent 6.3从计算流体力学的角度，对带有挡板和标准六直叶涡轮桨的搅拌 釜式生物反应器内部的速度场进行了模拟， 并将模拟结果与实验数据、 理论数据进行了比较 计算结果表明：釜内流场存在两个流体环；用标准k-ε模型模拟釜内的流动情况及速度分布， 并与理论相比较，与理论完全相符，流动情况也与实际情况基本相符研究结果对于工业搅 拌釜的优化有一定的指导意义 关键词：关键词：生物反应器；六直叶涡轮桨；多参考系模型；搅拌桨区；桨尾流区 搅拌釜式生物反应器广泛应用于微生物和植物细胞培养以及发酵过程中 尽管搅拌釜式生物反应器的结构比较简单，但不同的搅拌釜内流体流动和混合过程却很复杂，因此，目前搅拌釜式生物反应器的设计和放大主要是依靠半经验方法来解决[1]设计周期长，偏差大等问题来的经济损失是相当客观的 如何提高反应器的设计放大的准确性己成为搅拌釜设计中的一个重要问题[2] 近年来，迅速发展起来的计算流体力学为解决这一问题提供了有效手段。
本文用 Fluent 6.3 从计算流体力学的角度研究了单桨的混合过程，模拟了流动的速度场，并与理论值进行了比较 1. 流体力学模型流体力学模型 在惯性（非加速）坐标系中 i 方向上的动量守恒方程为： ()()ii jijiji jiFgxxpuuxut++∂∂+∂∂−=∂∂+∂∂ρτρρ 其中 p 是静压，τij是下面将会介绍的应力张量，ρgi和 Fi分别为 i 方向上的重力体积力和外部体积力（如离散相相互作用产生的升力）了其它的模型相关源项，如多孔介质和自定义源项 对于二维轴对称几何外形，轴向和径向的动量守恒方程分别为： ()()()()xFxv rurrrvxurxrxpvurrruurxrut+⎥⎦⎤ ⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛ ∂∂+∂∂ ∂∂+⎥⎦⎤ ⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅∇−∂∂ ∂∂+∂∂−=∂∂+∂∂+∂∂21322111µµρρρ?以及 ()()()()()rFrwvrrvvxvrrrru xvrxrrpvvrrruvrxrvt++⋅∇+−⎥⎦⎤ ⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛⋅∇−∂∂ ∂∂+⎥⎦⎤ ⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛ ∂∂+∂∂ ∂∂+∂∂−=∂∂+∂∂+∂∂223223221111ρµµµµρρρ??其中：rv rv xuv+∂∂+∂∂=⋅∇?，w 是漩涡速度[3]。
- 2 - 2. 模拟策略模拟策略 2.1 搅拌釜结构搅拌釜结构 计算所采用的搅拌釜式生物反应器釜体为圆柱形搅拌桨为六直叶涡轮桨搅拌釜直径T=140mm，液位高H=200mm，搅拌桨直径D=50mm,桨叶宽1=D/4，桨叶高w=D/5桨叶离釜底距离C=T/3工作介质为水计算中搅拌转速为300rpm在此条件下，叶端速度Vtip=0.785m/s,搅拌雷诺数为Re=1.25×104 2.2 搅拌桨的边界设置搅拌桨的边界设置 FLUENT 提供了以三种关于静止和移动区域并存问题的模型建立办法： ? 多参考系模型（MRF） ? 混合平面模型 ? 滑动网格模型 MRF 模拟方法[4]验数据的支持，并且可以按照稳态的方法模拟，G.Tabor 等人用这种方法对单相搅拌釜内流场进行模拟，发现可以节省大量的时间，为此我选用 MRF 模拟方法 所有固体表面上设为壁面边界条件（wall）和标准的壁面函数；液面视作水平，所以选用对称边界条件（symmetry） 2.3 网格划分网格划分 由于搅拌轴对计算结果影响不大，所以作图时加以简化，省去搅拌轴，采用 Fluent 前处理软件 Gambit 将搅拌釜分成约 195000 个网格， 其中搅拌桨区域用四面体网格， 其他区域采用六面体网格，具体网格如图 2-1 所示。
模拟计算用软件为商业软件 Fluent 6.3 图 2-1 网格划分 图 2-2 轴向切面速度矢量图 Fig.2-1 Grid of strirrd tank Fig.2-2 Velocity field of axial-slice 2.4 计算结果与讨论计算结果与讨论 2.4.1 速度分布速度分布 图 2-2 给出了计算得到的轴向切面上的速度矢量图， 我们可以看出搅拌桨平面上方有明 - 3 - 显的流体环，下方受到气体进口的影响流体环不是很明显，流体经过搅拌向壁面运动，然后分成向上和向下两股， 其分布基本上与前人模拟结果一致， 说明这种模型能较好的预测流体的运动情况 图 2-3 给出了搅拌桨平面上的速度云图，从图中可以看出搅拌桨处速度最大，为0.796m/s，与理论值 0.785m/s 基本吻合，而且搅拌桨之后又明显的速度尾涡，与实际情况相符，这也说明这种模型能较好的模拟流体的运动情况 图 2-3 桨平面速度云图 图 2-4 轴向速度随时间的变化曲线图 Fig.2-3 Velocity contours of Propeller Fig.2-4 Axial velocity changes with plane time curves 图 2-4 给出了 r=35mm（红色）以及 r=50mm（黑色）处的轴向速度分布，从图上我们可以了解桨平面上方直至液面处两个半径处速度变化不大， 桨平面处速度差异较大， 桨平面下方也有一定的速度差异，与实验仪器测量相符。
2.4.2 湍动能（湍动能（k）分布）分布 搅拌釜式反应器的湍动能及湍流耗散率分布对宏观和微观混合极为重要， 因为它控制着微团尺寸，因此长期以来，人们一直对它进行着广泛的研究 图 2-5 轴向截面湍动能分布 Fig.2-5 Axial-slice contours the distribution of k 图 2-5 显示了计算的釜内湍动能的轴向截面分布图，可以看出湍动能的分布不太均匀，主要集中在搅拌桨区域以及它的尾流区， 在釜壁和釜底处湍动能最小， 这些区域是操作中容易出现死区而需要注意的地方 另外搅拌桨上方釜体中心处湍动能较大， 可能和湍流强度有关 - 4 - 3. 结论结论 本文对带有挡板和标准六直叶涡轮桨的搅拌釜式生物反应器内部的流场进行了计算流体力学模拟， 考察了不同湍流模型对模拟结果的影响， 并将模拟结果与实验数据进行了比较结果如下: 1.釜内流场存在两个流体环，一个位于搅拌桨上部，一个位于搅拌桨下部 2.标准k-ε模型能较好的模拟釜内的流动情况及速度分布， 其搅拌桨处速度大小与理论完全相符，流动情况也与实际情况基本相符 3.对搅拌釜内湍动能的模拟表明，湍动能主要集中在搅拌桨区和桨尾流区，其他区域分布较少。
参考文献参考文献 [1] 张永震.天津搅拌釜式生物反应器的计算流体力学模拟[D].天津:天津大学硕士论文,2005. [2]周国忠,施力田,王英深.搅拌槽内近桨区流动场的数值研究[J].高校化学工程学报,2002, 16(1):17 - 22. [3] 戴前策,陈敏恒.化工流体力学（第二版）[M].北京:化学工业出版社.2005. [4] 韩占忠,王敬,兰小平.Fluent 流体工程仿真计算实例与应用[M].北京: 北京理工大学出版社,2006. CFD simulation of the propeller agitator bioreactor Wen Wen, Ni Bangqing, Wu Yan School of Chemical and Material Engineering, Jiangnan University, Wuxi (214122) Abstract The use Fluent 6.3 from the perspective of computational fluid dynamics, with six straight baffle and standards of the turbine propeller agitator bioreactor internal rate of the dynamics simulation, and simulation results and theoretical data were compared. The results show that: Kettle, the existence of two fluid flow. Central; standard k-ε model to simulate the flow within the reactor and speed of distribution, and compared with the theory, and theory Completely in line with the movement of the basic line with the actual situation. The results for the optimization of industrial agitator have a certain significance. Keywords: bioreactor; six straight of the turbine propeller;multi-reference system model; impeller; propeller wake zone 作者简介：作者简介：温文(1986-)，男，江苏淮安人，硕士生。