综述：高负荷藻塘设计中计算流体力学的评估：挑战与未来展望

《Bioresource Technology Reports》：Evaluation of computational fluid dynamics in high-rate pond designs: Challenges and future perspectives

　　

高负荷藻塘（High-Rate Algal Ponds，HRAPs）作为废水处理与微藻培养的可持续系统，已受到广泛关注。这些生物反应器设计参数的界定与优化，对于推进兼具经济与环境可持续性的藻类培养技术至关重要。该研究对2012年至2026年间全球关于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）在HRAP设计与优化中应用的研究进行了综合文献计量分析。对52篇入选文献的详细回顾表明，该领域属于一个新兴研究方向，科学产出数量有限但影响力较高，研究主要集中于中国、美国、西班牙、英国、意大利、法国和印度。分析识别出若干关键研究趋势，包括水动力学建模、藻塘几何优化，以及混合机制对生物质生产力与能源效率的影响。经改进的桨轮、涡激振动系统、导流挡板以及集成式CFD-生物动力学模型被强调为减少死区（Dead Zones，DZ）并增强明/暗循环的有效策略。尽管结果具有前景，规模放大、能耗以及方法学标准化等方面仍存在重大挑战。该研究强调了CFD作为决策支持工具在推动HRAPs走向实际尺度应用中的潜力，并为该领域未来研究与创新方向提供了见解。

1. Introduction

文章指出，在可持续废水处理与生物质生产需求不断增长的背景下，高负荷藻塘（High-Rate Algal Ponds，HRAPs）因兼具传统稳定塘运行简易性、较高营养盐去除效率和微藻生物质产出能力，而成为具有应用前景的环境生物技术系统。HRAPs通常通过浅水深设计与桨轮混合维持藻细胞悬浮，促进光照与营养物均匀分布，但其内部水动力行为和传质过程高度复杂，并直接影响处理效能与培养性能。基于此，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）被视为解析流动、营养盐分布、颗粒迁移及其他关键变量的重要工具，可在工程实施前预测不同构型与运行策略的性能，从而降低试错成本。文章同时指出，现有文献仍较零散：部分研究仅关注由几何变化引起的流场特征，另一些研究则开始耦合生物质生产力、混合、营养盐去除、光穿透、辐射场及电场刺激等变量。近五年来，研究重心已从基础水动力分析转向多物理场模拟、桨轮几何精细化、挡板/导流结构减小死区（Dead Zones，DZ）、强化垂向混合以及CFD与生物动力学耦合等方向。因此，文章提出通过文献计量分析系统梳理CFD在HRAP中的知识演化、合作格局、研究热点与空白。

2. Emerging trends in CFD modeling for HRAPs: a bibliometric analysis

本节介绍文献计量分析的数据库来源、检索逻辑、筛选流程与可视化方法。研究于2026年4月从Web of Science Core Collection与Scopus数据库获取数据，限定文献类型为Article、语言为英文，并围绕“high rate pond”“raceway pond”“microalgae”与“computational fluid dynamics”或“CFD”等术语构建检索式。初始获得532篇文献，经BibTeX导出、在RStudio?中利用bibliometrix包去重并剔除无DOI文献后，形成300篇候选集；随后依据“是否实际采用CFD”以及“是否针对HRAP而非其他反应器”进一步筛选，最终保留52篇文献。文章说明，分析过程还使用Microsoft Excel绘制发表与被引趋势图，使用VOSviewer 1.6.20构建国家合作网络和关键词共现图，并利用bibliometrix生成Sankey图与关键词趋势图。作者强调，该流程尽力保证方法学一致性，但英语文献限制与预设关键词仍可能引入检索偏倚。

2.1. Annual publication trends and most productive countries

该小节表明，2012—2026年间与HRAP中CFD应用直接相关的文献仅52篇，年均约3.5篇，反映该方向仍处于新兴阶段；与此同时，年均被引约121次，说明尽管产出有限，但学术影响力并不低。2024年为发文量最高年份，共7篇，而截至数据采集时2026年尚无记录。2013—2018年间发文相对稳定，年均约4篇，对应较高的被引水平；2019年后年发文量在1至7篇间波动，显示该主题持续保持研究热度但尚未形成大规模爆发式增长。国际合作方面，全球合作网络整体较为有限，较为突出的互动主要出现在中国、美国、西班牙、英国、意大利、法国和印度之间。文章认为，这些国家的领先地位与其在可再生能源、废水处理技术、科研基础设施及跨学科能力方面的持续投入密切相关，尤其CFD在微藻系统中的应用对计算资源和工程—生物复合型研究能力要求较高。

2.2. Key research topics and keyword cluster network

文章通过关键词共现网络识别了该领域的主题结构。网络中心词“microalgae”与“CFD”“mixing”连接最为紧密，说明微藻培养问题已与工程模拟和流动优化深度耦合。红色聚类突出“light”“biomass”等生物与环境变量及其与反应器运行优化的联系；绿色聚类则围绕“photobioreactors”“growth”“baffles”“dead zone”等词，强调通过改善流动分布和混合效率提高生物质生产力；蓝色聚类反映“open raceway pond”“cells”“cultivation”“light/dark cycle”“Chlorella vulgaris”等实验培养与生物学表现研究；黄色聚类更偏重“computational fluid dynamics”“simulations”“mass transfer”“performance”等数值模拟与传递过程；紫色聚类集中于“flow”“volume”“turbulence”“vertical mixing”“model”等基础流体动力学问题。整体上，不同聚类并非彼此孤立，而是围绕“CFD”“mixing”“hydrodynamics”等核心连接词形成高度整合的知识结构，表明当前研究重点主要在于通过改善水动力条件来促进光分布均一性、营养盐可利用性与气体交换。

2.3. Research trend

本节进一步使用Sankey图和战略坐标图分析研究趋势。Sankey图展示了作者关键词（DE）、期刊来源（SO）与索引关键词（ID）之间的关联，表明“microalgae”“mixing”“CFD”“raceway pond”“computational fluid dynamics”构成研究主轴，而Bioresource Technology、Algal Research: Biomass, Biofuels and Bioproducts、Journal of Applied Phycology等为主要发表平台。战略坐标图依据中心度与密度将主题划分为驱动主题、基础主题、小众主题和新兴/衰退主题。其中“algae”“ponds”“performance”“flashing light”属于成熟且核心的驱动主题；“growth”“hydrodynamics”“light”“baffles”为高相关但发展程度相对较低的基础主题；“photobioreactors”“optimization”“efficiency”被归为小众主题；“cultivation”“reactors”“flow”“model”等则落入新兴或可能衰退象限。作者同时提醒，由于样本文献量有限，某些关键词在战略图中的位置可能受频次影响而存在不确定性，但整体判断仍显示当前研究高度关注性能优化与光相关现象，同时保持对水动力学和反应器设计的持续兴趣。

3. Research progress in HRAPs: design strategies, optimization, and limitations

本节概述HRAP技术由经验性设计向基于水动力、生化和运行准则的工程化设计转变的总体进展。文章强调，HRAP近年来的发展重点已逐渐由单纯污水处理转向兼顾生物修复与生物质高效生产。伴随实验技术与建模工具进步，系统设计更加重视反应器几何构型、运行工况、传质、光照利用与微生物互作等多重因素的协同优化。

3.1. Design and operational parameters

文章指出，与传统兼性塘不同，HRAP通常采用约0.35 m的浅水深，以减弱垂向分层并提高太阳辐射利用率。水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）通常为3–10 d，相较传统系统可减少约40%的占地面积。近期研究进一步表明，在三级处理场景下，HRT可由4 d缩短至2 d而不显著削弱氮、磷和有机碳去除效果，同时仍可将大肠杆菌控制在欧洲法规限值以内，这显示HRAP具备向更高容积负荷与更短停留时间运行的潜力。混合流速是另一关键参数，通常需要桨轮维持不低于0.1 m/s的流速，以防止沉积并促进闪光效应（flashing-light effect）。此外，表面有机负荷一般控制在100–150 kg BOD ha^?1 day^?1，过高负荷会诱导厌氧化并抑制微藻生长。文章还强调，面向微藻系统的工程设计不能只依赖水力参数，还应将光可用性、传质、藻菌互作与混合效率纳入统一框架。

3.2. Optimization strategies

在优化路径方面，文章总结了若干具有代表性的运行与结构策略。其一，补充二氧化碳（CO₂）不仅有助于调控pH并减少营养盐挥发损失，还可允许系统在更大水深下运行，从而降低占地需求。其二，HRAP与生物膜反应器组成的混合系统可提升生物质产率并缓解收获难题。其三，进水紫外预消毒可降低与微藻竞争空间和营养的生物群落，从而提高藻浓度及脂质生产力。其四，弯道挡板、中央隔墙泪滴形端部和桨轮重定位等水动力学改造可有效减少死区并改善流动效率。文章还指出，在病原微生物去除方面，粪大肠菌群去除主要由死亡衰减、沉降及水力带出共同驱动，其中光照强度、较高pH和溶解氧是重要控制因子，尤其太阳辐射增强可显著促进自然消毒，因此优化策略不应局限于水力层面。

3.3. Identified limitations

尽管HRAP展现出较高潜力，但大规模应用仍面临多重约束。首先是标准化不足，全球普适性的设计准则和规范仍缺乏，只有少数政府性参考文件。其次，监管验证门槛较高，实际工程审批往往要求长期、系统化且由资质实验室执行的病原指标监测与对数削减验证。再次，开放式系统对季节温度、太阳辐射等环境变化高度敏感，容易出现生产力波动；同时，浮游动物捕食或非目标生物竞争也可能导致系统崩溃并影响出水质量。文章还指出，高pH条件下氨挥发会造成氮损失并带来酸化和富营养化风险，若缺乏如CO₂补给等控制手段，问题将进一步加剧。因此，研究者认为亟需将实验、建模与现场验证结合起来，而CFD可作为降低不确定性、优化水动力设计和提升运行可靠性的关键工具。

4. Applications of CFD on HRAP design and optimization

本节指出，HRAP中的微藻培养涉及微藻细胞、CO₂传递、O₂释放与培养液之间的复杂多相水动力过程。CFD作为一种成本相对可控且功能强大的数值工具，可用于HRAP的设计、诊断与优化，并推动该领域从经验设计向工程模拟转型。相较其他培养系统，HRAP由于具有自由液面、浅水湍流和低能耗维持悬浮的要求，面临更独特的流体力学问题。

4.1. Turbulence models in shallow HRAP flows

文章系统比较了HRAP浅水流动中常用的湍流模型。雷诺平均Navier–Stokes（Reynolds-Averaged Navier–Stokes，RANS）框架下，雷诺应力模型（Reynolds Stress Model，RSM）作为二阶闭合方法理论上更全面，但标准k-ε模型因计算成本低、工业尺度收敛性好而仍最常使用。不过，其各向同性假设限制了对自由液面附近和桨轮影响区域二次流与各向异性湍流的刻画能力。为改善这一问题，k-ω SST（Shear Stress Transport）模型因兼顾远场稳定性和近壁精度而受到重视，尤其适用于分离流与压力梯度的刻画，并有助于更准确评估壁面剪切应力，避免微藻细胞裂解。对于高精度研究，大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）代表当前前沿，可直接解析大尺度涡结构，更适于量化明/暗（Light/Dark，L/D）循环频率和细胞在暗层与透光层之间的迁移过程。文章认为，随着研究目标从单纯流场描述转向生物物理耦合，高级湍流模型的重要性将持续上升。

4.2. Hydrodynamic representation of the free surface

除湍流闭合外，自由液面的表示方式也是HRAP模拟中的核心问题。文中总结了体积分数法（Volume of Fluid，VOF）、刚性盖板假设（rigid-lid assumption）和浅水方程（Shallow Water Equations，SWE）三类方法。VOF通过显式追踪气-液界面，可较真实地再现表面变形、波动、水位差以及氧解析与CO₂吸收等现象，但三维瞬态模拟的计算代价较高。刚性盖板法则将自由液面简化为固定、平坦且不可渗透边界，计算效率高，适合长时间水平输运和大尺度几何评估，但会忽略水位差及越桨轮抬水所需势能，可能使能耗低估约10%–15%。SWE多用于二维深度平均模型，适合大尺度停留时间分布分析，但无法捕捉垂向混合与L/D循环等关键现象。文章指出，随着HRAP模型逐步与生物动力学和气体交换模型耦合，研究前沿正从早期常用的简化自由液面处理转向VOF等更具物理真实性的方法。

4.3. Operational protocols for simulation, optimization, and validation of CFD models in HRAPs

文章进一步总结了HRAP中CFD建模的推荐流程，包括关键区域网格加密、边界条件配置、旋转部件的Sliding Mesh处理、拉格朗日视角下离散相模型（Discrete Phase Model，DPM）耦合，以及采用粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）等实验手段进行验证。作者特别指出，现有研究在网格无关性、时间步长敏感性和实验验证方面缺乏统一规范。就网格独立性而言，最严格的方法是采用网格收敛指数（Grid Convergence Index，GCI）；较常见的做法是比较两到三组网格密度，但这往往难以量化高梯度区域离散误差；另有部分早期研究几乎未报告网格敏感性信息。对于含运动部件的瞬态模拟，满足Courant–Friedrichs–Lewy（CFL）条件的时间步长控制至关重要，但不少研究未进行灵敏度测试。验证方面，一部分研究使用三维声学多普勒测速（Acoustic Doppler Velocimetry，ADV）获取全尺度速度剖面，另一些则停留于表层水力测量。更近期的工作已开始将CFD结果与微藻生长实验结合，利用L/D暴露历史解释生物质产率变化，显示CFD验证正在从纯水力指标逐渐延伸到生物学性能层面。

5. Hydrodynamic and operational parameters influencing HRAP efficiency

该部分从结构和运行角度讨论影响HRAP效率的关键因素。文章指出，HRAP通常由两条或多条平行水道与弯道回路组成，流体循环由桨轮驱动，但弯道区域与桨轮位置也是能量消耗最集中的部位。系统通常采用0.15–0.30 m浅水深以增强光穿透，不过在CO₂补给条件下可提升至约0.40 m。混合不仅能够均化营养、温度和pH，还可防止沉降、强化液-细胞传质，并通过细胞在明区与暗区间的间歇迁移提升光合效率。一般认为流速应高于0.10 m/s以避免形成死区，但过高流速或过强剪切又可能损伤细胞，某些研究提出约0.60 m/s可作为损伤风险上限。由此，如何在避免沉积、避免细胞破坏及降低能耗之间取得平衡，构成开放式藻塘设计与运行的核心难题。文章进一步指出，L/D循环时长会随细胞浓度上升而缩短，因此理解其流动诱导机制对高效培养系统开发极其重要。

5.1. Design modifications in HRAPs

围绕设计改造，文章归纳了三类主要策略：水道几何优化、内部导流结构设置以及混合系统改造。几何优化方面，增加中央隔墙宽度可显著减少DZ并降低能耗；优化弯道形状可使能量损失大幅下降。内部结构方面，弯道导流板、倾斜挡板、翼形挡板和泪滴形端部等有助于重分配流线、削弱回流和大尺度涡，从而提高流速均匀性并减少滞流区域，但往往伴随额外水头损失和能耗上升，因此存在明显水力性能—运行成本权衡。组合式方案如“弯道导流板+倾斜挡板”或“导流板+翼形挡板”则表现出在能耗、平均流速和DZ控制之间更优的综合效果。混合系统改造方面，15°倾斜桨轮可同时降低能耗并提升混合效率和生物质产率；多桨轮配置虽可强化混合，但可能显著增加能耗；倾斜藻塘结合气提（airlifting）系统则显示出能效和生产力的同步提高。此外，滑槽挡板、交叉挡板以及带电动力元件的偏转结构可强化垂向速度、缩短L/D循环并显著提高微藻生产力。总体而言，文章认为被动几何改造更容易兼顾水力与能量效率，而主动强化混合结构虽常可提升生产力，却仍缺乏一致的能耗报告；同时，许多研究尚未将水动力优化与生物学终点充分关联。

5.2. Operational strategies for HRAP optimization

在运行策略方面，文章将已有工作概括为桨轮转速控制、生物质收获策略和流动强化技术三类。提高桨轮速度通常能改善混合、均化细胞分布并减少DZ，在一定范围内有利于表层光分布，但深层光穿透仍受限，且能耗随之上升。CFD与生物动力学耦合结果显示，随着培养时间延长和细胞密度增加，自遮蔽会导致生产力下降，因此适时部分收获是维持系统高产的重要手段。例如在达到特定浓度时去除50%生物量，可显著提高单位面积产率。另一方面，在低流速区域引入CO₂注入可改善局部流动并减少死区，同时显著提升生物质产出；基于涡激振动（vortex-induced vibration）的被动装置则无需外部供能，通过流致旋转强化混合和光照暴露，也可带来超过20%的生产力提升。作者由此认为，相较单纯增加桨轮速度，收获优化与被动强化流动策略在提升产率和控制运行成本之间更具吸引力，但现有文献中对水动力—生物学—运行三者一体化分析仍然不足。

5.3. Modeling combined with mathematical models for HRAP analysis

文章最后综述了CFD与数学模型联合应用于HRAP分析的代表性工作。相关研究通过将微藻生长动力学、质量守恒、光衰减、CO₂传质等方程与CFD流场耦合，实现了对生物量累积、空间分布和传递过程的预测。有研究表明，当CO₂浓度由0.0006 g/L提高至0.15 g/L时，模拟生产力可增加17.60%，而桨轮速度影响相对较小；当生物量达到0.42 g/L时，弯道区域的DZ可被消除。另有研究通过动态模型结合CFD分析发现，提升桨轮转速可缩短循环时间，却会使能耗显著上升。还有工作采用Euler–Euler双流体框架分析养分颗粒在不同水深下的混合与溶解行为，指出较大水深会降低固液传质系数，且中央隔墙附近DZ会阻碍营养盐溶解，因此更深藻塘往往需要更高的桨轮转速。整体而言，这些研究说明，将CFD与生长动力学、光场和传质模型耦合，是推动HRAP从“流动优化”走向“过程优化”的关键方向。