能源微藻光生物反應器內的熱輻射傳輸基礎問題

《能源微藻光生物反應器內的熱輻射傳輸基礎問題》是依託哈爾濱工業大學，由趙軍明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：能源微藻光生物反應器內的熱輻射傳輸基礎問題
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙軍明

項目摘要

能源微藻是一種極具潛力的生物制油原料，目前如何提高微藻光生物反應器的效率以降低成本及進行規模化培養是其產業化發展的技術瓶頸,而對藻細胞生長光環境的最佳化是提高光生物反應器培養效率的關鍵。本課題針對能源微藻光生物反應器內光環境定量分析亟待解決的3個熱輻射傳輸基礎問題進行研究：（1）微藻及其培養液的輻射特性，（2）微藻光生物反應器內的光輻射輸運模型，（3）微藻光生物反應器內的非穩態輻射、對流耦合輸運模型。擬通過實驗測量研究不同微藻及培養液形成的半透明吸介質的光譜吸收係數、散射係數及散射相函式的特徵。通過對微藻光譜輻射特性進行參數化建模並基於計算熱輻射學方法，建立光生物反應器內的多維、多光譜光輻射輸運模型。將發展的光輻射輸運模型與流動分析模型聯合，建立光生物反應器內的非穩態輻射-對流耦合輸運模型，並對不同形式光生物反應器內微藻所受光照強度的時變特性以及輻射-對流耦合引起的閃光效應的特徵進行深入分析。

結題摘要

能源微藻是一種極具潛力的生物制油原料，對藻細胞生長光環境設計和最佳化是提高微藻光生物反應器培養效率的關鍵。本課題針對能源微藻光生物反應器內光環境定量分析亟待解決的熱輻射傳輸基礎問題進行研究，主要研究了微藻輻射特性測量方法，典型能源微藻藻種的光譜輻射特性，光生物反應器內輻射輸運模型以及微藻細胞不同生長期的輻射特性。 項目研究獲得以下主要研究成果： 在微藻的輻射特性測量方法研究方面，提出了一種基於GPU並行加速的微藻輻射特性反演測量方法並通過實驗驗證了可行性，該方法極大的提高了反演算法的速度。對傳統的光譜衰減係數測量的透射法進行了改進，發展了一種可更準確測量顆粒混懸液光譜衰減特性的方法。提出了一種可方便測量微藻細胞散射相函式測量的方法。發展了一種可用於高透過率視窗材料光學特性測量的方法，克服了傳統橢偏法和透射法的不足。 在能源微藻的輻射特性研究方面，通過實驗測量得到了多個典型高產油率能源微藻光譜輻射特性基礎數據，為微藻光生物反應器的光場分析及最佳化提供基礎物性參數。通過嚴格電磁理論分析了表面粗糙結構以及長刺結構的微藻細胞形態對其輻射特性的影響，從理論上了解微藻細胞輻射特性的形成機制。 在光生物反應器內輻射輸運模型研究方面，發展了一種基於二階輻射傳遞方程的新的數值穩定型有限元法，可有效的套用於多層非均勻介質輻射傳輸的求解。發展了一種求解非均勻梯度折射率介質內矢量輻射傳遞方程求解的蒙特卡洛方法。基於嚴格電磁理論分析了高密度條件下粒子系的非獨立散射以及輻射傳遞理論的適用條件。 在不同生長期的微藻輻射特性研究方面，提出了一個細胞生長對微藻細胞輻射特性影響的理論分析模型，可用於微藻時間相關輻射特性的分析和預測。發現了微藻輻射特性隨生長時間變化的一個相似關係，揭示出不同生長階段時微藻的輻射特性之間的關聯性。 本項目目前發表研究論文18篇，其中SCI期刊論文8篇，EI期刊論文3篇，會議論文7篇，申請發明專利2項。