1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写

2000字左右的文献综述：

文 献 综 述

摘要：沼气工程包括厌氧发酵主体及配套工程技术，主要是通过厌氧发酵及相关处理降低粪水有机质含量，达到或接近排放标准并按设计工艺要求获取能源沼气。沼气利用产品与设备技术，主要是利用沼气或直接用于生活用能，或发电、或烧锅炉、或直接用于生产供暖、或作为化工原料等。沼肥制成液肥和复合肥技术，则主要是通过固液分离，添加必要元素和成份，使沼肥制成液肥或复合肥，供自身使用或销售。沼气是一种可再生的生物能源，是一种优质、卫生、廉价的气体燃料，开展农村沼气建设,综合利用沼气资源，能推动农村经济发展，使农民得到实惠，促进农业产业结构调整。沼气是一种清洁、高效的可再生能源。农村发展沼气很重要，不仅可以方便农民的生活，还可以改善生态环境。以沼气为纽带开展综合利用，加快农业生产结构调整，可以提高农产品的质量和效益，增加农民收入，使农民尽快脱贫致富。我国能源矛盾日益突出，而解决我国能源矛盾的根本出路是建设节约型社会。我国农村能源利用效率低下，能源浪费严重，沼气产业实现了农业生产和农民生活的循环发展，极大地节约了农村能源。发展农村沼气产业，是解决我国农村能源问题和建设节约型新农村的有效途径，其关键技术是沼气厌氧发酵技术，包括常规和高效厌氧发酵^[14,15]工艺技术。

根据厌氧发酵^[14,15]反应系统研究，分别对机械搅拌、气体搅拌、水力搅拌影响牛粪高温厌氧发酵的因素进行分析，通过正交试验后，得出机械搅拌气搅拌和水力搅拌的最佳工艺，由结果可知，产气量最高的是机械搅拌，其最佳工艺组合为固含量9%搅拌转速为50rpm搅拌频率6h一次搅拌时间20min但是在对上层浮渣进行称重的时候，发现上层浮渣最少的为水力搅拌，机械搅拌次之，结果表明，从发酵液的混合均匀程度来看，机械搅拌是最好的，但是从周期内对预防上层浮渣结壳的角度来说，水力搅拌是最好的^[5]。由此可见，不同的搅拌方式各有其优缺点。由相关据数据统计，机械搅拌通风发酵罐搅拌所消耗的能源占发酵全过程的一半左右^[6]。机械搅拌发酵罐是发酵工厂常用类型之一, 机械搅拌发酵罐其气体分散和发酵液循环运动主要由搅拌器来完成, 它利用机械搅拌器的作用, 使空气和发酵液充分混合, 对发酵罐的性能评价分析具有重要意义^[10]。

对于水力搅拌而言，考察了混凝剂投加量和水力搅拌速度对絮体形成和分流制雨水处理效果的影响，结果表明，混凝剂投加量和混合水力搅拌速度直接影响絮体Zeta电位和聚沉特性；混合搅拌速度控制混凝反应速率，絮凝速度梯度影响絮体形成粒径 FI曲线特征参数对控制混凝工艺具有指导意义。合理控制混凝剂投加量和水力搅拌条件可

节约药剂成本和工艺能耗^[11]。通过对传统辐流沉淀池中心区域的结构改造，实现结构创造水力搅拌条件，满足混凝机理的要求，从而改善了混凝沉降效果。为传统辐流沉淀池结构改造提供了借鉴，也为减轻传统工艺后续构筑物的处理负荷提供了思路，在节省占地、提高出水水质等方面都具有一定的意义^[12,13]。

随着计算机技术的迅速发展，水力学与计算机技术的有机结合增强了解决水力学疑难问题的能力。FLUENT软件是理论研究成果与实际工程相结合的计算水力学商业软件的杰出代表之一。我首先介绍了FLUENT软件的一些特点及应用领域，然后总结了它在水力学中的应用现状，指出了它具有计算快速、简捷、方便等优点，最后对FLUENT软件的应用进行了展望^[3]。

计算机模拟作为水力学研究的手段之一，具有以下优点：费用低廉，而且随着计算机技术的飞速进步，这一优点越来越突出；省时高效；也可实现对多种复杂物理条件下流场的真实和全域的模拟；也可实现理想状态下的模拟，比如可以将某一现象单独隔离开来进行研究；与物理模型试验只能针对某些点进行量测相比，计算机模拟所提供的信息量大而丰富^[3,7]。

随着计算机功能的不断完善与提高，水力学与计算机技术的有机结合将极大的增强解决疑难问题的能力。水力学模型的进步、流场可视化技术的发展以及水力信息学的普及应用，都是这方面的体现。加强水力学的算法研究和软件开发，把计算机和水力学密切结合起来已成为现代水力学研究的重要任务之一^[3,7]。

近年来随着计算机技术的迅速发展，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）作为一门独立的学科逐渐成为流体力学和应用数学的热门研究内容且发展日趋成熟。在这一趋势下，将理论研究成果与实际工程相结合的CFD商业软件应运而生，FLUENT便是其中的杰出代表。 FLUENT软件的设计基于CFD软件群思想，可针对各种不同流动的特点，采用最佳的数值解法，在计算速度、稳定性、精度等方面达到优化组合，从而高效地解决各领域的复杂流动计算问题，准确模拟流动、传热和化学反映等物理现象^[3]。

关键词：沼气工程、水力搅拌、 机械搅拌、CFD模拟

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

沼气工程的重要性^[2,8]：当前，农业大中型沼气工程建设受到社会各界的广泛关注和党中央、国务院的高度重视，是党中央推进农业废弃物资源化利用的重要战略举措。目前，农业废弃物污染已经成为我国重要的污染源，其来源十分广泛，主要包括畜禽粪便、能源作物秸秆、食品废弃物 ( 家庭、餐馆、小卖店等)、农产品加工企业( 屠宰场、啤酒厂、乳制品厂、面粉加工场 )废水废料等，呈现出总量大、利用率低、危害严重的特点。以畜禽粪便为例，我国每年产生畜禽粪便约30亿吨，加上尿液及废水接近300亿吨，仅猪、牛、羊三大禽畜粪便每年排放COD(化学需氧量)约6900万吨，是全国工业COD排放量的5倍。农业废弃物随意丢弃、燃烧或排放产生的污染十分严重，严重影响生态环境，居民正常生活和身体健康。农业大中型沼气工程作为农村生物质能源高效利用的一种方式，通过厌氧发酵，不仅有效去除了有害物质，而且产生了清洁能源沼气，真正实现了变废为宝，对于改善生态环境质量，对解决农村用能和养殖业污染问题有重要意义，也是目前最有希望实现产业化的生物质能源之一。但沼气工程的发展也受到投资规模较大、工艺流程不规范、运行管理不到位等方面问题的制约。本文在分析我国农业沼气工程发展现状的基础上，针对目前存在的主要问题，提出相应的对策和措施^[2]。根据可持续发展战略的要求，新能源开发成为必然发展趋势，在可再生能源中，沼气尤其具有发展潜力。沼气发酵是一种能够将污染废弃物变为洁净能源的技术，沼气生产工艺和技术研究的重要性因此受到越来越多的关注。沼气生产工艺过程中，由于发酵菌种需同发酵原料充分接触，沼气产量才会得到保证，于是搅拌在发酵的过程中起到非常重要的作用^[1]。

我国大中型沼气工程发展中的主要问题^[2,9]：近年来，中国大中型沼气工程发展迅速，然而有关沼气工程运行情况的研究甚少。为探索沼气工程运行中存在的问题，我们进行了调查，主要由以下几点：整体技术水平低，配套设施不完善；沼气产量低，发电比率小；行业不规范，管理问题比较突出；资金投入不足，配套政策不完善等问题。

由于沼气工程的重要性和其存在的诸多问题以及搅拌在沼气工程中的重要性。以往对沼气搅拌装置的选用都是参考其他工业标准，并没有针对沼气产气特性的配套装置。本研究基于沼气发酵技术长远发展需要，对沼气发酵搅拌装置进行探索性研究。搅拌器在化工、 轻工、 石油等行业有着广泛的应用^[16]。CFD数值模拟技术在搅拌装置中的应用越来越广泛^[3]。因此本课题主要研究沼气工程发酵罐水力搅拌CFD模拟。

机械搅拌^[4]是使用各种安装形式的机械装置，通过各种形式的机械运动使物料达到混合状态的一种搅拌方式。此种搅拌方式可以产生强大的剪切作用，可以借助搅拌叶片的转动能来打碎消化原料，有利于高粘度物料混合。从节省动力消耗的角度，机械搅拌最有效。所以，欧洲农场沼气工程一般采用机械搅拌。早期，普遍采用快速潜水推进式搅拌。目前，低速搅拌逐渐成为发展趋势。在奥地利，新建沼气工程54%采用低速桨式搅拌器，9%采用长轴式搅拌器，7%采用快速潜水推进式搅拌器。大约55%的沼气发酵罐采用1个搅拌器，目前趋势是采用2个（大约42%）甚至3个搅拌器。德国、丹麦、奥地利等国的规模化沼气工程成功经验表明，高浓度物料沼气发酵是规模化沼气工程正常运营的技术关键。其中沼气发酵原料的粘度比较高，仅气泡或者液体的搅拌对液体产生的搅拌作用比较微弱，所以机械搅拌是规模化沼气工程混合搅拌设备的发展趋势。

水力搅拌^[4]一般利用泵运转所产生的液体流动来完成对物料的搅拌。这类搅拌所用设备一般在沼气发酵罐内部或外部安装导流筒螺旋泵，或在沼气发酵罐外部安装离心泵、螺旋泵及管道系统。此外还有在沼气发酵罐内布置水力喷射器，来增强反应效果。在水力搅拌的导流筒系统中，螺旋泵可在任何一个方向旋转，以除去缠绕在搅拌轴和叶片上的阻碍旋转的杂质等。导流筒的设置数目与沼气发酵罐的直径有关，当直径 D9 m 时通常设置多个。国内曾采用有套管的螺旋推进搅拌器，套管直径为400mm，管内设置螺旋桨片。大多采用3个这种装置。在这种搅拌方式中，由于没有机械转动装置设在罐内，因此维护管理方便、简单。泵设置在罐壁旁，它的出流管进入发酵罐后，通常与直径相切，并做成喷嘴状，有利于混合搅拌。前苏联等国家常将水力搅拌与水力喷射器联用，在15～20 kgcm^-2的压力下将污泥压入直径为50mm的喷射孔中。污泥离开喷射孔时在混合室产生很大的压降，借助真空作用将罐内熟污泥从污泥液面吸入混合室，通过立管从发酵罐底部排出。据报导，一般压入的生污泥与吸入的熟污泥量之比为1:5，每立方米污泥的耗能为0.8～1.2 kW^[4]。对于直径小于16 m的发酵罐，一台喷射泵已经足够。对于采用干清粪工艺的沼气工程，沼气发酵罐内浓度在1%左右，采用循环泵来进行水力搅拌即可达到混合的目的。

课题来源与意义

本课题为973项目生物甲烷系统中若干过程高效转化的基础研究的子课题。本项目以基于我国的国情，我国能源需求与CO²减排的矛盾日益加深，发展可再生能源是实现CO²减少的必由之路。本973项目的研究路线与传统的沼气发酵有着本质上的区别。它把先进的强化传热技术及清洁能源的使用引入到发酵反应器中，将产出的混合气体进一步分离提纯，

课题来源：973项目生物甲烷系统中若干过程高效转化的基础研究。

FLUENT软件^[3,7]

在水力搅拌的应用中FLUENT是重要的工具。FLUENT软件的功能很全面适用性也很广，它将不同领域的计算软件组合起来成为CFD计算机软件群，包括前处理、数值求解和后处理三大模块，核心部分是N-S方程组的求解模块，FLUENT软件要包括GAMBIT和FLUENT，其中GAMBIT是CFD计算中的前处理器，FLUENT是求解器的一种FLUENT软件。具有以下一些特点：（1）采用完全非结构化网格的有限体积法；（2）具有强大的完全非结构化网格划分能力，能够生成不连续网格支持变形网格和滑动网格，拥有多种基于解算的自适应网格技术；（3）包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法和耦合隐式算法，从而使FLUENT适用于低速不可压流动跨声速流动乃至可压缩性强的超声速和高超声速流动；（4）包含丰富的物理模型如无粘流层流湍流传热和多孔介质化学反应颗粒运动多相流自由表面流相变流等能模拟多种流动现象；（5）具有高效的并行计算自动分区功能；（6）提供友好的用户界面，提供二次开发接口UDF；（7）采用C/C 编写 大大提高了对计算机内存的利用率。

软件在水力学中的应用现状^[3,7]

FLUENT软件于1998年进人中国市场，FLUENT软件在我国应用的也很广泛。FLUENT软件在水流流场中的应用不同于单纯的空气流场。水利工程问题边界复杂，水气混掺，存在多个自由水面，需要采用二相流模型，计算机模拟的成果还不多。对垂直圆墩周围的三维流场行了计算机模拟，在水槽中对二维规则波进行了计算机模拟，在环形水槽中对三维流场进行了计算机模拟。采用双方程紊流模型对阶梯溢流坝流场进行了三维紊流计算机模拟得出溢流坝沿程的自由水面位置、速度大小和分以及阶梯面上的压力等重要流场特性。采用VOF法对挑流消能从库区到下游水垫塘进行了水气二相流计算机模拟，得到射流的空中轨迹线水垫塘的自由水面和计算域的压力、流速、紊动能及紊动能耗散率分布。结合向家坝水电工程采用VOF法和RNG紊流模型对多股多层水平淹没射流进行三维计算机模拟，得出中孔和表孔联合泄洪时消力池的流速和紊动能分布。根据某电站进水口150模型试验结果，对进水口流场进行了计算，研究来流复杂地形边界等对进水口流态的影响。对索风营电站X形宽尾墩和阶梯溢流坝联合消能的三维流场进行数值计算，给出压力特性流速分布阶梯及墩后水气两相流的部分特性。对小南海水库双弯曲型溢洪道原型流场进行三维计算机模拟，得出溢洪道沿程水面线和速度等重要水力参数。结合典型工程算例就复杂水气交界面的处理模型建体和网格划分等问题作详细介绍。以windows 2000操作系统和通用CFD软件工具FLUENT为基础研究构建了不同的并行计算硬件平台的力法，计算了典型的山谷污染物扩散过程的湍流流场。

可见，FLUENT软件在水力学中的应用已逐步展开，计算机模拟同试验研究相比，具有成本低、方案变化快、无测量仪器干扰、无比尺效应和数据信息完整等优势，可作为模型试验的有力补充如进水口模型试验在高水位时，无法用常规仪器测量进口周围的流速而数值计算则可得到全域流场特性。另外由于其减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方而投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的设定，因而提高了工作效率，其必然会获得越来越多的应用应用，效果也必将越来越好。

通过总结FLUENT在水力学中的应用形状，我们可以知道，FLUENT应用于水流的计算机模拟，能取得和实验很接近的结果，并且有计算快速、简捷、方便的优点。它不仅能给出反映水流运动总体特性的各项运动参数，如流速、压强等，而且可以方便地计算出各项水流参数的全场分布能给出相关流场的具体信息。

FLUENT的另一个主要的优点就是它的后处理功能，它能清晰的显示不同计算时刻、不同位置断面处的水流运动参数，对流线、涡线、速度分布等进行准确而清楚的显示。以流场显示为例，如可以用箭头（或其它标志）代表水质点，箭头向代表流速方向，箭头长短代表流速大小，将水流流场直观地展示出来，其效果是阅读数据文件所无法达到的，就是实际观测也与之无法比拟。还可以应用它的自定义函数功能显示出不同断面处的其它有效量值，如动能等。

FLUENT的应用前景^[3]

FLUENT作为一种较新的软件在模拟复杂水流方面的应用还有其很多展望的地方：(1)水流计识，以及对水力学等理论有较深刻的理解。尤其是功能强大的FLUENT软件还有待进一步的开发与应用。（2）尽管采用FLUENT软件模拟的结果与实验相近，但毕竟将FLUENT软件用于水流的流动模拟还需进一步地进行验证。为此，还需要结合物理模型试验资料，对计算机模拟的成果进行精确度方面的分析，为实际工程提供更为有力的设计依据。（3）对于模拟不规则边界的水流流动情况还需要对FLUENT进行二次开发，这将为CFD软件更为有效的使用提供一种新的方法，也为先进CFD软件的更广泛及有效使用提供了新的思路。

参考文献

[1] 王洁.沼气发酵罐内搅拌混合过程试验及CFD模拟研究[D]. 吉林农业大学, 2012.

[2]李宝玉,毕于运,高春雨,等.我国农业大中型沼气工程发展现状,存在问题与对策措施[J]. 中国农业资源与区划, 2010 (2): 57-61.

[3]吴立春.FLUENT软件在水力学中的应用进展[J].重庆教育学院学报, 2009, 22(3): 66-68.

[4] 刘刈.高浓度物料沼气发酵过程混合搅拌及其影响因素的研究[D].中国农业科学院, 2009.

[5] 王欣,王玉鹏,刘伟,等.不同搅拌方式对浮渣层影响高温厌氧发酵产气率的研究[J]. 黑龙江科学, 2014, 5(9).

[6] 徐清华,马歌丽,王建松.机械搅拌通风发酵罐的节能设计[J].啤酒科技,2009,3: 016.

[7] FLUENT:流体工程仿真计算实例与应用[M]. 北京理工大学出版社, 2004.

[8] 林妮娜,庞昌乐,陈理,等.利用能值方法评价沼气工程性能山东淄博案例分析[J]. 可再生能源, 2011, 29(3): 61-66.

[9]叶小梅,常志州,钱玉婷,等.江苏省大中型沼气工程调查及沼液生物学特性研究[J]. 农业工程学报, 2012, 28(6): 222-227.

[10] 徐健,刘孝光,潘培道.机械搅拌通风发酵罐内气液两相流的仿真模拟[J].包装与食品机械, 2007, 24(6): 10-13.

[11] 程方,秦涛,赵现勇,等.加药量和水力搅拌速度对雨水混凝效果的影响[J].环境工程学报, 2012, 6(11): 3905-3909.

[12] 胡庆凯.辅流沉淀池水力搅拌混凝实验研究[D].内蒙古科技与经济. 2010

[13] 杨逸辉.水力搅拌装置性能试验研究[D].河海大学,2007.

算机模拟是一个系统的工程，它涉及到方面的工作。它需要扎实的数学功底及应用计算机软件的知

[14] Karim K, Hoffmann R, Klasson K T, et al. Anaerobic digestion of animal waste: Effect of mode of mixing[J]. Water research, 2005, 39(15): 3597-3606.

[15] Smith L C, Elliot D J, James A. Mixing in upflow anaerobic filters and its influence on performance and scale-up[J]. Water Research, 1996, 30(12): 3061-3073.

[16]陈志希,谢明辉,周国忠,等.24种搅拌器的功率曲线[J].化学工程,2010,38(3): 38-43.