能源微藻光生物反应器内的热辐射传输基础问题

Energy microalgae is one of the most potential raw materials for biodisel production. Currently, the bottleneck in industrial development of energy microalgae is how to improve the performance of the photobioreactor to reduce the cost of cultivation and to make cultivation in large scale. To optimize the light enviroment of cells is the key factor to increase the efficiency of the photobioreactor. This project focuses on three fundamental problems of radiative transfer that are necessary to quantitatively analyze the light enviroment in photobioreactors for microalgae cultivation: 1) radiative properties of microalgae and the culture solution, 2) light radiative transport model in the photobioreactor, and 3) transient coupled transport model of radiation and convection in the photobioreactor. The characteristics of spectral absorption coefficient, scattering coeffient and scattering phase function of the semitransparent media composed of different energy microalgaes and culture solutions is planed to be investigated experimentally. Based on a constructed parameter model of the spectral radiative properties of microalgaes and the means of computaional thermal radiation, a multidimensional and multispectra light radiative transport model for photobioreactor is to be built. Based on the built light radiative transport model and combining with the analysis of convection induced movement of microalgae cell, a transient coupled transport model of radiation and convection in photobioreactor is to be built. Furthermore, the temporal characteristics of the local irradition intensity of microalgae cell in different types of photobioreactor, and the characteristics of the radiation-convection induced 'flashing light effect', are to be investiageted throughly.

能源微藻是一种极具潜力的生物制油原料，目前如何提高微藻光生物反应器的效率以降低成本及进行规模化培养是其产业化发展的技术瓶颈,而对藻细胞生长光环境的优化是提高光生物反应器培养效率的关键。本课题针对能源微藻光生物反应器内光环境定量分析亟待解决的3个热辐射传输基础问题进行研究：1）微藻及其培养液的辐射特性，2）微藻光生物反应器内的光辐射输运模型，3）微藻光生物反应器内的非稳态辐射、对流耦合输运模型。拟通过实验测量研究不同微藻及培养液形成的半透明吸介质的光谱吸收系数、散射系数及散射相函数的特征。通过对微藻光谱辐射特性进行参数化建模并基于计算热辐射学方法，建立光生物反应器内的多维、多光谱光辐射输运模型。将发展的光辐射输运模型与流动分析模型联合，建立光生物反应器内的非稳态辐射-对流耦合输运模型，并对不同形式光生物反应器内微藻所受光照强度的时变特性以及辐射-对流耦合引起的"闪光效应"的特征进行深入分析。

能源微藻是一种极具潜力的生物制油原料，对藻细胞生长光环境设计和优化是提高微藻光生物反应器培养效率的关键。本课题针对能源微藻光生物反应器内光环境定量分析亟待解决的热辐射传输基础问题进行研究，主要研究了微藻辐射特性测量方法，典型能源微藻藻种的光谱辐射特性，光生物反应器内辐射输运模型以及微藻细胞不同生长期的辐射特性。. 项目研究获得以下主要研究成果：. 在微藻的辐射特性测量方法研究方面，提出了一种基于GPU并行加速的微藻辐射特性反演测量方法并通过实验验证了可行性，该方法极大的提高了反演算法的速度。对传统的光谱衰减系数测量的透射法进行了改进，发展了一种可更准确测量颗粒混悬液光谱衰减特性的方法。提出了一种可方便测量微藻细胞散射相函数测量的方法。发展了一种可用于高透过率窗口材料光学特性测量的方法，克服了传统椭偏法和透射法的不足。. 在能源微藻的辐射特性研究方面，通过实验测量得到了多个典型高产油率能源微藻光谱辐射特性基础数据，为微藻光生物反应器的光场分析及优化提供基础物性参数。通过严格电磁理论分析了表面粗糙结构以及长刺结构的微藻细胞形态对其辐射特性的影响，从理论上了解微藻细胞辐射特性的形成机制。. 在光生物反应器内辐射输运模型研究方面，发展了一种基于二阶辐射传递方程的新的数值稳定型有限元法，可有效的应用于多层非均匀介质辐射传输的求解。发展了一种求解非均匀梯度折射率介质内矢量辐射传递方程求解的蒙特卡洛方法。基于严格电磁理论分析了高密度条件下粒子系的非独立散射以及辐射传递理论的适用条件。. 在不同生长期的微藻辐射特性研究方面，提出了一个细胞生长对微藻细胞辐射特性影响的理论分析模型，可用于微藻时间相关辐射特性的分析和预测。发现了微藻辐射特性随生长时间变化的一个相似关系，揭示出不同生长阶段时微藻的辐射特性之间的关联性。. 本项目目前发表研究论文18篇，其中SCI期刊论文8篇，EI期刊论文3篇，会议论文7篇，申请发明专利2项。