氣升式內(nèi)環(huán)流生物反應(yīng)器（AILBR）一般以壓縮空氣為主要的能量輸入形式，因其傳質(zhì)效率高、能耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、裝料系數(shù)高、可靠性好、易放大等而引起廣泛的注意。該反應(yīng)器目前已成功用于細(xì)胞培養(yǎng)、微生物發(fā)酵及污水處理等領(lǐng)域，其應(yīng)用面日益拓寬。

研究AILBR流動(dòng)的傳統(tǒng)方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定液相循環(huán)速度、氣含率、軸向擴(kuò)散系數(shù)和氧傳質(zhì)系數(shù)等，再探索它們和各影響因子之間的關(guān)系，得出各自實(shí)驗(yàn)條件下的關(guān)聯(lián)式，為反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。目前對(duì)此類反應(yīng)器的選型和設(shè)計(jì)仍然主要依賴這些經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)其性能的優(yōu)劣很難進(jìn)行理論預(yù)測(cè)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)理方法和流體力學(xué)的發(fā)展，一門交叉學(xué)科——計(jì)算流體力學(xué)（CFD）越來(lái)越受到人們的重視，與實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比，CFD技術(shù)不僅花費(fèi)少、設(shè)計(jì)周期短，而且可以獲取反應(yīng)器中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等詳細(xì)的信息，對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、放大、優(yōu)化和混合傳質(zhì)的基礎(chǔ)研究都具有意義。

在AILBR中，氣泡既是氧的來(lái)源又是混合的動(dòng)力。小氣泡在液相中停留時(shí)間長(zhǎng)，就可保證氣泡中的氧充分地傳遞給液相，但對(duì)攪拌混合作用不大；大氣泡對(duì)提供高強(qiáng)度混合起著重要作用，但由于大氣泡在液相中停留時(shí)間很短,故其中的氧得不到充分利用。因此，產(chǎn)生中等大小的氣泡是比較理想的狀況。然而實(shí)際情況是在整個(gè)流動(dòng)區(qū)域，每一個(gè)位置都存在各種不同大小氣及形狀的氣泡，并且氣泡間在不斷的發(fā)生并聚破碎，氣泡的大小也隨即變化。為此采用MUSIG模型來(lái)了解氣泡直徑的分布問(wèn)題，同時(shí)考慮氣泡的并聚和破碎現(xiàn)象，從而計(jì)算求得各種粒徑氣泡的分布規(guī)律。

數(shù)值模擬結(jié)果在一定程度上需要得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證以反映其建立數(shù)學(xué)模型的可靠性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)采用非接觸式的PIV測(cè)速技術(shù)對(duì)AILBR下降區(qū)液體速度進(jìn)行測(cè)量，可以為CFD數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)條件。 AILBR見(jiàn)圖1，其主體大部分由硅玻璃制成，外筒體下降區(qū)內(nèi)徑為140mm，氣液分離區(qū)內(nèi)徑為211mm；導(dǎo)流筒內(nèi)外徑分別為80mm和90mm，高度為1338mm；在導(dǎo)流筒的底部正下方安裝有一個(gè)空氣分布器，其上圓周狀均勻分布有20個(gè) f1mm的小孔。在常溫常壓下，以空氣和水為實(shí)驗(yàn)體系，上升區(qū)的表觀氣速在0～0.04m/s范圍內(nèi)，反應(yīng)器內(nèi)液面高度為1574mm。

模擬假定在上述表觀氣速范圍反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)是定常的，并且兩相流體都是不可壓的；液相水在器壁處的流動(dòng)速度為0，而對(duì)分散相氣泡則設(shè)為存在滑移行為；對(duì)于進(jìn)氣行為，其通過(guò)空氣分布器完成，由氣室和噴嘴組成的空氣分布器，其復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)給計(jì)算區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分帶來(lái)了難度。本文解決這一問(wèn)題的思路是：（1）在定義計(jì)算區(qū)域時(shí)只考慮氣室而忽略噴嘴部分；（2）在CFX-4.4中植入子程序USRINT計(jì)算存貯噴嘴物理位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)及其所代表的控制容積的編號(hào)；（3）通過(guò)子程序USRSRC替換存貯控制容積內(nèi)相關(guān)方程的源項(xiàng)內(nèi)容，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器供氣的數(shù)值模擬。同時(shí)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式的估算，設(shè)定進(jìn)口氣泡的直徑在4～5mm范圍之間。

雖然數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在著一定的偏差，但模擬結(jié)果很好的抓住了實(shí)驗(yàn)值分布和變化的總體特征，并且主體流動(dòng)兩者的偏差在20％以下，低于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的一般計(jì)算誤差（30～40％）。將該CFD數(shù)值模型應(yīng)用于氣升式生物反應(yīng)器這樣復(fù)雜流場(chǎng)的預(yù)測(cè)是可行的，其具有工程應(yīng)用價(jià)值。

表觀氣速為0.032m/s時(shí)，氣液兩相速度中心線軸向分布特征基本一致。進(jìn)氣口速度值z(mì)ui大，隨著軸向高度的增加，為克服壁面摩擦、相間摩擦以及形體阻力做功，兩者速度有一定的下降，到氣液分離區(qū)，氣液兩相速度同時(shí)又有一定幅度的增加，可能主要是分離區(qū)漩渦運(yùn)動(dòng)加速所致。從比較來(lái)看，兩者間存在較大的滑移速度，這樣的滑移速度隨著表觀氣速的增加有著加大的趨勢(shì)。

AILBR內(nèi)氣液兩相速度差是主要的傳質(zhì)推動(dòng)力，相間摩擦是傳質(zhì)和耗能的本質(zhì)，只有維持一定的通氣壓頭才能保證這樣的相間相對(duì)滑移速度，輸入能量大部分用來(lái)抵消氣液相間摩擦所引起的能量耗散。AILBR內(nèi)流體的循環(huán)速度、氣液兩相的混合傳質(zhì)與氣含率、氣泡的并聚破碎行為有著直接關(guān)系。

局部氣含率是氣液兩相流中的一個(gè)重要參數(shù)，直接影響質(zhì)量傳遞、熱量傳遞及反應(yīng)速率。從表觀氣速為0.032m/s時(shí)局部氣含率的徑向分布比較來(lái)看，氣含率的zui大值出現(xiàn)在導(dǎo)流筒內(nèi)部，相比較于上升區(qū)，下降區(qū)的氣含率低甚至為0。從分布的雙峰形來(lái)看，分布器噴嘴的形式是影響局部氣含率分布狀況zui主要的因素。離分布器距離越遠(yuǎn)，局部氣含率分布相對(duì)越平緩。隨著表觀氣速的增大，分布整體抬高，但對(duì)下降區(qū)影響不大。