气升式内环流生物反应器的流体力学性质

气升式内环流生物反应器（AILBR）一般以压缩空气为主要的能量输入形式，因其传质效率高、能耗低、结构简单、操作方便、装料系数高、可靠性好、易放大等而引起广泛的注意。该反应器目前已成功用于细胞培养、微生物发酵及污水处理等领域，其应用面日益拓宽。

研究AILBR流动的传统方法是通过实验确定液相循环速度、气含率、轴向扩散系数和氧传质系数等，再探索它们和各影响因子之间的关系，得出各自实验条件下的关联式，为反应器的设计提供经验或半经验依据。目前对此类反应器的选型和设计仍然主要依赖这些经验和半经验公式，对其性能的优劣很难进行理论预测。近年来，随着计算机技术、数理方法和流体力学的发展，一门交叉学科——计算流体力学（CFD）越来越受到人们的重视，与实验方法对比，CFD技术不仅花费少、设计周期短，而且可以获取反应器中的速度场、温度场、浓度场等详细的信息，对反应器的设计、放大、优化和混合传质的基础研究都具有意义。

在AILBR中，气泡既是氧的来源又是混合的动力。小气泡在液相中停留时间长，就可保证气泡中的氧充分地传递给液相，但对搅拌混合作用不大；大气泡对提供高强度混合起着重要作用，但由于大气泡在液相中停留时间很短,故其中的氧得不到充分利用。因此，产生中等大小的气泡是比较理想的状况。然而实际情况是在整个流动区域，每一个位置都存在各种不同大小气及形状的气泡，并且气泡间在不断的发生并聚破碎，气泡的大小也随即变化。为此采用MUSIG模型来了解气泡直径的分布问题，同时考虑气泡的并聚和破碎现象，从而计算求得各种粒径气泡的分布规律。

数值模拟结果在一定程度上需要得到实验结果的验证以反映其建立数学模型的可靠性，通过实验采用非接触式的PIV测速技术对AILBR下降区液体速度进行测量，可以为CFD数学模型的验证提供详实的数据条件。 AILBR见图1，其主体大部分由硅玻璃制成，外筒体下降区内径为140mm，气液分离区内径为211mm；导流筒内外径分别为80mm和90mm，高度为1338mm；在导流筒的底部正下方安装有一个空气分布器，其上圆周状均匀分布有20个 f1mm的小孔。在常温常压下，以空气和水为实验体系，上升区的表观气速在0～0.04m/s范围内，反应器内液面高度为1574mm。

模拟假定在上述表观气速范围反应器内流动是定常的，并且两相流体都是不可压的；液相水在器壁处的流动速度为0，而对分散相气泡则设为存在滑移行为；对于进气行为，其通过空气分布器完成，由气室和喷嘴组成的空气分布器，其复杂的几何结构给计算区域的结构化网格划分带来了难度。本文解决这一问题的思路是：（1）在定义计算区域时只考虑气室而忽略喷嘴部分；（2）在CFX-4.4中植入子程序USRINT计算存贮喷嘴物理位置网格节点及其所代表的控制容积的编号；（3）通过子程序USRSRC替换存贮控制容积内相关方程的源项内容，以此实现对反应器供气的数值模拟。同时，通过经验公式的估算，设定进口气泡的直径在4～5mm范围之间。

虽然数值模拟与实验结果之间存在着一定的偏差，但模拟结果很好的抓住了实验值分布和变化的总体特征，并且主体流动两者的偏差在20％以下，低于传统经验关联式的一般计算误差（30～40％）。将该CFD数值模型应用于气升式生物反应器这样复杂流场的预测是可行的，其具有工程应用价值。

表观气速为0.032m/s时，气液两相速度中心线轴向分布特征基本一致。进气口速度值zui大，随着轴向高度的增加，为克服壁面摩擦、相间摩擦以及形体阻力做功，两者速度有一定的下降，到气液分离区，气液两相速度同时又有一定幅度的增加，可能主要是分离区漩涡运动加速所致。从比较来看，两者间存在较大的滑移速度，这样的滑移速度随着表观气速的增加有着加大的趋势。

AILBR内气液两相速度差是主要的传质推动力，相间摩擦是传质和耗能的本质，只有维持一定的通气压头才能保证这样的相间相对滑移速度，输入能量大部分用来抵消气液相间摩擦所引起的能量耗散。AILBR内流体的循环速度、气液两相的混合传质与气含率、气泡的并聚破碎行为有着直接关系。

局部气含率是气液两相流中的一个重要参数，直接影响质量传递、热量传递及反应速率。从表观气速为0.032m/s时局部气含率的径向分布比较来看，气含率的zui大值出现在导流筒内部，相比较于上升区，下降区的气含率低甚至为0。从分布的双峰形来看，分布器喷嘴的形式是影响局部气含率分布状况zui主要的因素。离分布器距离越远，局部气含率分布相对越平缓。随着表观气速的增大，分布整体抬高，但对下降区影响不大。