光催化反应器内污染物扩散的CFD数值模拟及优化设计

作     者：高金森 

作者单位：盐城工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：董鹏玉

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 081705[工学-工业催化] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 0703[理学-化学] 

主      题：光催化反应器 数值分析 结构优化 甲醛降解 三氯乙烯降解 

摘      要：光催化氧化(PCO),作为一种先进的氧化技术,被用来改善室内空气质量,一直受到人们的高度重视。本论文主要设计了前置导流板蜂窝式光催化反应器和正弦型壁面环形光催化反应器,基于计算流体力学对反应器内速度场、浓度场、湍流粘度等进行数值模拟。旨在揭示多物理场对光催化反应器净化效率的作用规律,阐明反应器内部结构对光催化反应器流场的作用机理。首先,对原始蜂窝式反应器的前舱进行设计,通过布置导流板和多孔式气流分布板得到不同结构的前置导流板蜂窝式光催化反应器,并通过计算流体力学(CFD)对其进行了数值模拟。仿真结果表明,原始模型在入口附近出现巨大的漩涡,导致反应器内部速度和甲醛浓度分布不均匀,而带有45°导流板模型(S-4)相对于其他模型可以有效地克服这些缺点。在入口速度为0.04 m s时,S-4的甲醛光催化转化率比原始模型提高了7.29%。此外,基于S-4模型还考察了速度、相对湿度、辐射强度和初始甲醛浓度对甲醛光催化转化率的影响。结果表明,入口速度的改变对甲醛的光催化转化率影响较大。入口速度减小时,甲醛光催化转化率提高。相对湿度与甲醛光催化转化率呈现一种线性关系,随着相对湿度的提高,水分子与甲醛产生竞争吸附更加激烈,进而促使甲醛光催化转化率的降低。辐照度从45增加到265 m W cm时,甲醛光催化转化率提高了10.78%。其次,为增强环形反应器的传质能力将涂有光催化剂的壁面设计为正弦型,分析振幅和角频率对环形光催化反应器辐射场、速度场、湍流粘度以及三氯乙烯光催化转化率的影响。结果表明,振幅的提高会降低光催化剂表面的辐射强度。在一定范围内,提高振幅可以降低湍流粘度,进一步延长三氯乙烯与光催化剂接触时间,从而提高三氯乙烯的光催化转化率。而角频率的变化对湍流粘度影响不大。同时,研究入口速度、初始浓度对光催化三氯乙烯去除率的影响。仿真结果表明,随着入口速度与三氯乙烯初始浓度的提高均会降低三氯乙烯光催化转化率。入口速度的改变会影响反应器内速度场的分布,从而影响湍流粘度的分布,进一步导致在反应器不同位置处的三氯乙烯降解量不同。总之,本论文通过对前置导流板蜂窝式光催化反应器和正弦型壁面环形光催化反应器进行优化设计,对反应器内流场、浓度分布和辐射场等进行模拟分析,对于今后研发高性能的光催化反应器具有理论指导意义。