科技创新项目申请书

1、附件4：立项编号:XXXX大学硕士研究生科技创新项目申请书（自然科学类一般项目）项目名称：基于CFD的厌氧发酵罐加热装置传热特性的研究项目申请人（研究生）：入学时间：联系电话和电子邮箱：项目负责人（导师）：项目负责人联系电话：申报学院：填表日期：XXXX大学研究生院制2019年10月9日一. 简表项目简况型 类万 X X项目申请人情况号 学业 专项目申请人导师情况名 姓1业 专A二、立题依据1、项目研究开发的目的随着现代社会赖以生存与发展的石油、煤等化石燃料的消耗量日益增加，导致这些 不可再生能源正日渐枯竭，能源问题已成为制约社会未来发展的潜在危机，开发清洁可 再生能源已成为必然的发展趋势。根

2、据全世界可持续发展的战略要求，生物质能源的研 究与开发已成为当今世界的热点问题。其中，厌氧发酵制取沼气的生产工艺和技术研究 受到越来越广泛的关注。在沼气的生产过程中，温度是影响厌氧发酵的关键因素之一，如果要使沼气工程常 年稳定运行，保持恒定、高效的产气量，就必须对厌氧发酵料液的温度进行严格控制， 使发酵温度不随环境温度变化。因此，在北方高寒地区，厌氧发酵罐加热装置传热特性 的研究是确保稳定的发酵温度，保证沼气工程冬季能否正常运行的关键所在。由于发酵 料液是固、液两相混合物，使得厌氧发酵罐内加热装置传热特性不同于其他流体，其研 究尚处于起步阶段。随着计算流体力学(CFD)技术的迅速发展，本研究将

3、采用数值模 拟与试验相结合的方法，对发酵罐内加热装置的传热特性进行研究，建立传热模型，为 今后沼气工程加热装置的设计提供理论依据。2、国内外研究概况和发展趋势国外的科研工作者利用CFD技术对厌氧发酵反应器内的流场、温度场、速度场进 行模拟，研究起步较早。随着CFD技术的迅速发展，对两相流其至多相流的模拟研究 也逐渐增多。Richard R. Johnson利用CFD模拟建立了厌氧发酵反应器的数学模型，来模拟气液 两相流的传质传热，以优化厌氧反应器系统的性能和经济效益。Wu等釆用CFD技术对地下沼气池传热过程进行三维模拟，在模型中对拱形顶部、 圆柱、顶部平坦的矩形等儿何形状对传热的影响进行了阐述

4、。Robert N.Meroney利用CFD模拟技术来评估厌氧反应器不同直径对混合特性的影 响，通过模型研究混合物扩散时间(MDT)和水力停留时间(HRT)等，证明CFD对模型及 实际反应情况的预测贡献了巨大力量。Mitsuharu Terashima建立了三维CFD模型，模拟了厌氧反应器内混合物的混合时 间及流体的流变特性，取得显著成果。Gebremedhin使用CFD模拟技术，制定了包括太阳福射、气候条件、和土壤特性在 内的一个沼气池全面传热模型。国内在CFD模拟方面的研究起步相对较晚。近年来越来越大的研究者做了大量工 作，利用CFD对反应器内流场变化进行数值模拟。吴德飞等通过对搅拌罐内流

5、动状况的数值模拟结果与实验结果对比分析，验证CFD 能够进行流体流动的模拟。王发昕等以某沥青加温罐为研究对象，建立罐内流体的三维模型，用Fluent软件进 行数值模拟计算，分析沥青加温罐内的稳态温度场，找出了局部过热与加热死角的分布 位置。林宋等对餐厨垃圾生化处理设备的加热方式进行研究，利用计算流体力学CFD方 法仿真研究了设备内部温度场分布。袁春昱等介绍了计算流体力学在气升式环流反应器（二相、三相）中的应用，对气 含率和循环液速进行二维与三维数值模拟。张忠杰等通过对准静态仓储粮堆内部温度随环境温度变化过程的模拟，为仓储通风 系统的设计提供了有价值的参考依据。综上，山国内外相关文献资料可知，由

6、于流体内部流场分布情况比较复杂，越来越 多的研究工作者利用CFD数值模拟的方法对其进行研究，并得以迅速发展。已有的试验研究只是对温度场等流场特性进行了模拟，并没有对反应器的传热特性 进行分析研究，建立传热模型。本研究采用数值模拟与试验验证相结合的方法，根据对 流换热微分方程求出局部对流换热系数并确定平均对流换热系数，建立完善的传热模 型。因此，开展该方面的研究将会是未来利用CFD技术进行数值模拟并建立传热模型 的主要研究趋势。3、项目的应用前景和学术价值本项LI对发酵罐内加热装置进行传热理论模型的建立和数值模拟，进而用试验结果 对其进行验证，对于实时监测和控制厌氧发酵反应器内环境状态（温度场、

7、速度场）的 变化具有理论指导意义，对发酵罐内加热装置的传热特性进行研究，为今后沼气工程加 热装置的设计提供理论依据。三、研究方案1、主要研究内容、目标研究内容：(1) 建立数学模型。为便于求解，做简化假设。基于假设，模型的流体动力及传 热过程可用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及湍动能k方程与湍流耗散 率£方程进行离散求解。(2) 利用Fluent软件进行数值模拟。用Fluent进行迭代计算，得到厌氧发酵反应 器内温度场和速度场的分布情况，进一步分析传热特性。(3) 分析求解对流换热表面传热系数。(4) 利用相似理论建立模型进行试验验证，根据试验结果重新调整参数进行再计算

8、直至达到可接受的结果。研究目标：本项口利用CFD软件Fluent对厌氧发酵反应器内的温度场、速度场分布情况，并 与试验结果比较，验证模型的准确性。定性分析了加热盘管的布置对发酵罐内物料加热 情况的影响，并利用Fluent软件得到无法进行实际测量的温度场和速度场分布，根据对 流换热微分方程求出局部对流换热系数并确定平均对流换热系数。利用相似理论建立模 型进行试验验证。2、主要研究方法及技术路线本项LI采用理论与实际相结合的方法。首先对建立数学模型，利用CFD技术进行 数值模拟，然后用相似理论模型进行试验验证。CFD是计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)的简写，

9、其基本的定义是通过 il算机进行数值讣算和图像显示，分析包含流体流动和热传导等相关物理现象系统。 CFD技术实现了用计算机完成“计算试验”，代替了试验装置，80年代中期到如今CFD 技术为工程技术人员提供了工况模拟仿真的操作平台。商业CFD软件的发展，使CFD 技术已广泛应用于各个领域:航空航天、土木水利、流体机械、铁道、汽车工程、化学 工程、环境工程等。其中，传热过程的研究受到了越来越广泛的关注。商业CFD软件于1983年推出的Fluent软件自问世以来，一直在CFD软件技术中 处于领先地位，它是目前国内使用最广、功能最全、适用性最广泛的CFD软件之一。 Fluent提供的网络特性非常灵活，

10、它包含结构化和非结构化两个类型，对于具有复杂外 形结构的问题，可以采用非结构化来处理，它包括三角形、四边形、四面体、六面体等。 客户可以针对具体的情况对网格进行划分。模型前处理在结构化网格中使用的是 Gambit软件，同时也可以导入其他专门用来生成网格的软件，如PATRAN、ANSYS或 I-DEAS等。Fluent能够计算的问题类型有:二维平面、二维轴对称和三维流动分析，多 种参考系下流场模拟，定常和非定常流动，含有粒子液滴的蒸发、燃烧过程，不可压流 体和可压缩流体的计算，层流、湍流模拟，化学组合混合、反应分析，多相流分析，多 孔介质分析，固体与流体耦合传热分析等。它的湍流模型有标准的k-占

11、模型、LES模型、 RNG k-£模型、Reynold应力模型(RSM)及双层近壁模型等。Fluent为用户提供自定义 子程序功能，用户可以自行设定连续方程、动量方程和能量方程，用户还可以定义多种 边界条件，如壁面边界条件和流动入口、出口的边界条件等，边界条件均可随空间和时 间变化。CFD软件都是围绕流体问题解决的，所有CFD商业软件均包含三个基本步骤：前 处理、解算器、后处理。前处理这个过程就是将所要处理问题的相关数据输入CFD软件，前处理过程需要 用户完成的工作有：定义儿何计算区域，也就是计算域；将计算域划分为多个子区域， 这些区域不重叠，山单元网格划分形成：对所研究的化学、物理

12、现象进行抽象，选择对 应的控制方程；对流体的属性参数进行定义；为计算域边界处单元确定边界条件；如果 是瞬态问题；还要指定初始条件。流体问题的求解主要是在每一个网格上进行的，因此 网格的数量和质量对讣算结果准确性的影响很大，网格数量越多，解的精确度越高，但 是占用计算机的内存资源及CPU也同时增加。忖前商用CFD软件进行计算时，超过 50%的时间都在儿何区域划分和计算网格生成上，我们可以使用CFD自身前处理器或 其它商用CFD或CAD/CAE软件。解算器的核心是数值求解方案，解算器的任务就是对所选方程进行求解。常用数值 求解方案有有限元、有限差分和有限体积法。后处理的L1的就是对流体流动讣算结果

13、进行有效地观察和分析。现在计算机和图形 处理技术功能的提高，商用CFD软件都配备了后处理器，软件中可视化功能也越来强大。 它包括汁算域儿何模型及网格显示、矢量图（速度矢量图等）、等值线图、填充型等值线 图（云图）、XY散点图、粒子散点图和各种图像处功能（平移、缩放等），后处理器还能进 行动态模拟流动效果。显然，CFD己经迅速成为现代工程应用中用于解决复杂问题的一种常用方法。本研究技术路线，能够反映作者总体设讣思想，也是指导本项U研究有序进行的基 本依据（如图1所示）。图1 技术路线图3、项目进度安排第一阶段：2014.10-2014.12搜集资料，查找文献，了解研究领域。第二阶段：2014.1

14、2-2015.05 CFD基本原理及软件应用的学习，建立传热模型，利 用Fluent软件进行模拟，对各时间的温度分布情况进行分析，试验验证。第三阶段：2015.05-2015.10资料汇总、分析，撰写论文、撰写结题报告，上报结 题资料。4、提供成果的形式SCI或EI相关期刊发表学术1-2篇。根据XXXX大学研究生科技创新项目管理办法（试行），获得资助的 自然科学类硕士研究生申请的一般项目须发表与项目研究内容相关的SCI、 El刊源学术论文1篇。我同意以上结题验收成果要求。申请人（研究生）：负责人（导师）：年 月 日四、项目经费预算申请资助金额（千元）按年度2014 年2015 年合计：55预算支出科目金额（千元）计算根据及理由1、调研差旅费2资料调研、学术会议会务费、父通费及 住宿费等2、实验材料费3.5装置制备3、资料费0.5文献检索、复印、研究报告的印刷等费 用4、试验费5、仪器设备费6、图书、资料费0. 5购买图书、资料等7、课题鉴定和专家评审费3论文发表其他经费来源及金额（千元）0.5通讯和其它不可预见费用注：根据XXXX大学研究生科技创新项目