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光催化废气处理装置流场的CFD模型

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光催化废气处理装置流场的 CFD 模拟分析 祁伟栋 1 张 丽 2 董丽华 2 (1. 上海海事大学 物流工程学院,中国 上海 200020 ;2. 上海海事大学 海洋材料与工程学院,中国 上海 200020 ) 【摘 要】为分析光催化废气处理装置内部流场对污染物降解效率的影响 ,本文运用 CFD 流体动力学分析软件,通过建立实验用间歇式光 催化废气处理装置对*孛娴亩P屠茨D馄淠诓苛鞒 ,观察其流体动态以及阻力特性。 在流体动力学层面,该模拟分析可以为工业用大型 光催化废气处理装置的优化设计提供一定的理论依据。 【关键词】光催化废气处理装置;流场;模拟;流体动力学 0 引言 随着经济发展和生活水*的日益提高,人类所面临的环境污染形 势也日益严峻,而其中废气污染尤其受到广大关注。 由于工业排放、汽 车、船舶排放量不断增大,空气中的酸性气体含量居高不下 。 目前,许 多国家、企业开展了烟气脱硫脱销技术的研究,其中,半导体光催化技 术作为一种高级氧化技术,*年来在降解有害气体问题方面的得到了 广泛的应用。 利用光催化氧化技术处理废气的机制是, 通过让 TiO2 光 催 化 剂 在紫外灯光的照射下所形成的强氧化的自由基对废气进行降解 ,为提 高降解效率,研制开放良好的光催化反应器是必不可少的环节 。 相对 于传统的化学反应器,光催 化 反 应 器 的 设 计 问 题 更 为 复 杂 ,需 要 综 合 多方面因素来研究分析,包括质量的传递与混合、反应动力学、催化剂 比表面积以及紫外光辐射分布等问题。 尽可能把反应物与催化剂接触 时所涉及的影响因素考虑周全,才能使光催化装置更为高效地进行气 体净化处理。 由于反应装置内流场的流动特性(如速度、压力分布等)对于废气 处理重要影响, 然而通过实验来观测光催化反应装置内部的流场分布 非常困难。 随着计算机技术的飞速发展,CFD 技术在流体动力学数值模 拟方面的应用越来越广泛, 采用数值模拟的方法对光催化反应装置内 的传热传质流场进行研究分析, 可以克服实验方法难以观测装置内部 结构以及流动状态的问题。 因此光催化反应装置进行数值模拟,可以形 象地反映出其内部流场的分布状况,进而有利于对装置进行优化设计。 求解计算器设置 采用 CFD 软件 FLUENT 对光催化反应装置内流场分布进行数值 模拟。 将模型导入 FLUENT 中,设置导入单位为 m ,使用现在工程普遍 应用的的 k-ε 双方程模型。 又由于装置内部流体要通过挡板 ,圆柱形 石英管,属于多处位置的 流 速 脉 动 剧 烈 的 非 均 匀 流 ,同 时 在 通 过 圆 柱 时 会 形 成 绕 流 问 题 以 及 复 杂 漩 涡 , 所 以 选 用 k-ε 双 方 程 模 型 中 的 RNG k-ε 模型作为其求解模型,相对于标准 k-ε 模型,RNG k-ε 模 型 考虑了*均流动中的旋转及旋流流动状态, 并且 RNG k-ε 模型可以 更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动,对瞬态变流和流线 弯曲影响也有较强的预报能力。 流场各参数的耦合计算方法采用工程 上应用最广泛的 SIMPLE 算法(半隐式方法)。 由于本次模拟主要考虑 的是装置内不同位置的流速压强从而推断不同位置的停留时间 ,本模 拟中不考虑物质运输和有限速率的化学反应,所以把空气作为模拟配 气气体。 1.3 控制方程 几乎在所有工程流体装置中,质量守恒方程与动量守恒方程都是 用于装置内部湍流的瞬时运动。 前者表示单位时间内流体微元体中质 量的增加等同于同一时间间隔内流入微元体的净质量 ;后者表示微元 体中流体的动量对时 间 的 变 化 率 等 于 外 界 作 用 在 该 微 元 体 上 的 各 种 力之和。 即光催化废气处理装置内流体流动同样必须满足以下 2 个控 制方程: 非稳态连续性方程 1.2 1 1.1 数学模型及其求解 鄣ρ +div(ρU)=0 鄣t 动量守恒方程 (1 ) 模型的建立 如图 1 所示, 该装置是一小型验用间歇式光催化废气处理装置 , 外形为箱体结构,反应腔体 内 部 插 入 两 个 小 箱 体 ,每 个 小 箱 体 都 是 由 光催化膜以及套有石英管的 紫 外 灯 管 所 组 成 ,截 面 呈 工 字 型 ,光 催 化 膜固定在中间夹层中,而两 边 各 固 定 三 根 外 部 紫 外 灯 管 ,通 过 吸 收 紫 外灯光光子而激活光催化活性。 如图 2 所示,根据反应装置内部结构设 计,废气从装置入口进入在反应腔内走之字形路径,以此来增加废气与 光催化膜的接触面积与接触时间,已达到最好的降解污染物的效果。 鄣 (ρu ) +div(ρuU)=div(μgrad u)- 鄣ρ +S u 鄣t 鄣x 鄣 (ρv ) +div(ρvU)=div(μgrad v)- 鄣ρ +S v 鄣t 鄣y 鄣 (ρw ) +div(ρwU)=div(μgrad w)- 鄣ρ +S w 鄣t 鄣z 1.4 (2 ) (3 ) (4 ) 边界条件设置 本次 CFD 模拟采用空气作为仿真流体, 所以进出口温度设置为 常温,即 T=22℃ 。 进口边界设置采用速度进口边界条件,用于 定 义 在 流动进口处的流动速度以及相关的其他标量型流动变量 。 假定气体在 装置内停留时间为 3 秒,配气流量为 56m3,根据装置 尺 寸 图 4 以 及 流 量、压力管道界面三 者 关 系 式 (5 )可 知 若 假 设 以 匀 速 通 过 装 置 计 算 推 断进口流速 vin =0.22m/s ;采用压力出口边界条件,由于流速较慢,静压 值设置为 0 。 图1 图2 为精确模拟反应腔体内部的流体指点的运动情况,首先对其进行 网格划分。 由于该装置结构对称,故取其截面进行二维网格划分,以此 来分析装置内部的气体的流速压强的变化问题。 用 Gambit 划分网格, 如图 3 所示,将有限元模型输出为 mesh 文件格式,为接下



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