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1、搅拌式反应器的模拟与优化设计 摘 要 在综述了计算流体力学(CFD)技术在搅拌式反应器中的研究进展的基础上，着重讨论了搅拌式反应器中流场的模拟方法,包括“黑箱”模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法,并指出了CFD技术的发展方向。在此基础上,对反应器内流场的数学模型进行了介绍与评价。最后提出应用人工神经网络技术与遗传算法,优化生物反应的工艺操作条件,并结合CFD技术,实现生物反应器的结构优化,从而达到对生物反应系统整体优化的目的,以指导实验与工业生产。关键词 计算流体力学，搅拌式反应器，数值模拟，人工神经网络，优化设计SimulationandoptimizationdesignofS
2、tirredreactorAbstract：Baseontheoverviewofcomputationalfluiddynamics(CFD)technologyinthestirredreactorresearch,wefocusedonthemixingreactorsimulationoftheflowfield,including"blackbox"modeloflaw,internalandexternaliteration,multiplereferenceframemethodandtheslidingmeshmethod,andpointedoutthedirectiono
3、fdevelopmentofCFDtechnology.Onthesebasis,wedescribedandevaluatedthereactorflowmathematicalmodel.Weconcludeswiththeapplicationofartificialneuralnetworkandgeneticalgorithmtooptimizetheprocessoperatingconditions,biologicalresponse,andresultscombinedCFDtechnologytoachieveoptimizationofthestructureofthe
4、bioreactor,soastoachieveoveralloptimizationofthebioreactorsystemaimstoguideexperimentsandindustrialproduction.Keyword:computationalfluiddynamics,stirredreactor,numericalsimulation,artificialneuralnetworks,optimization第1章前言搅拌式反应器(StirredTankReactor,STR)因其结构灵活、操作方式多样等特点,广泛应用于生物化工、冶金、食品、医药及环境等领域。搅拌的目的
5、一般分为液液混合、气泡分散、颗粒悬浮、强化传热以及加速化学反应等。根据不同的搅拌目的,所确定的最佳反应器几何结构和搅拌桨型式也会有所不同。工业中最常用的带挡板搅拌式反应器(Baf-fledStirredTankReactor,BSTR),结构如图1所示。图1 搅拌式反应器结构特征尺寸尽管搅拌式反应器的结构比较简单,但反应器内的流体流动和混合过程却很复杂。由于反应器的设计和放大主要依靠经验方法,设计周期长、偏差大等问题带来了巨大的经济损失。如何准确地描述和模拟反应器内的混合过程及流动状况,为其优化设计和放大提供理论指导,是生物反应器技术研究的一个重要发展方向[1]。20世纪70年代以来,随着计
6、算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)技术的发展,利用数值模拟的方法来获得搅拌式反应器内流动和混合的信息已经成为现实。该数值方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程(包括质量、动量以及能量方程等),结合初始条件、边界条件和数值计算方法,实现模拟真实过程中各种场如流场、温度场、浓度场等的分布,以达到对过程的设计、优化、控制和放大的目的。同时,伴随着PIV粒子成像测速技术的发展,PIV实验所获得的大量数据,为搅拌式反应器内的数值模拟提供了真实可靠的依据和检验标准。可以说,CFD技术将对生物反应器的开发带来革命性的变化[2]。第1章模拟方法2.1搅拌式反应器内CF
7、D的发展趋势随着计算机计算能力的不断提高,以及在湍流模型和计算方法等方面的不断改善,尤其是大型通用CFD软件的日趋成熟。CFD方法用于研究搅拌式反应器内的流动显示出强大的生命力,越来越多的研究者开始关注并涉足CFD领域。近年来,在研究搅拌式反应器内的流动方面,CFD的最新进展主要体现在以下几方面。2.1.1从结构化网格到非结构化网格在CFD研究中,对几何体进行建模与网格划分的前处理过程是很重要的。网格划分将直
