网板柱塞流电化学反应器流动特性的数值模拟

摘要

电催化氧化是一项具有良好应用前景的绿色技术，柱塞流（管式）反应器可以有效地提高电催化氧化技术电流效率，降低处理成本。网板柱塞流电化学反应器(PRE-PFER)因网状平板阴阳极结构大小一致且垂直于水流放置，可有效解决传统柱塞流反应器电流密度不均匀、流速分布不均匀等缺陷。计算流体力学(CFD)可以有效模拟反应器流场，是一种研究反应器性能和优化其结构的高效技术。
　　本文采用CFD技术，用FLUENT软件模拟了网板柱塞流电化学反应器的流场结构，分析了反应器中的速度、湍流强度、压降等水力特性。首先，为优化反应器内电极结构和排布方式，分别设计了单板模型和多板模型，研究了电极孔尺寸、板间夹角和板间距对流场特性的影响，考量了流速分布、湍流强度和压降等参数，发现随着电极孔尺寸增大，反应器内的反应死区面积明显增大;网板电极可以使流场分布趋于均匀且增加流体的湍动;夹角为90度，板间距≥20mm时，电极板间无明显的回流区域和反应死区，且流场分布较均匀，流体的输送能增加，但压降最大。
　　其次，对比了进口方式（轴向中心、轴向下侧、径向垂直和径向相切）对反应器流场的影响。模拟结果表明:反应器进口方向为径向时，进口区域速度分布均匀，优于轴向进口;速度矢量图和压力分布图显示，四种进口中，进口方式为径向相切时，进口区域回流量为27％且反应器中心轴向方向的压降最小，而其余三种在进口区域均产生大面积漩涡，回流量为49.1～58.8％。
　　再者，对比了PRE-PFER和PFER两种反应器的流速分布、湍流强度分布和压降，结果表明:与PFER相比，PRE-PFER中流场受进口区域影响较小，达到稳定所需时间较短;PRE-PFER中径向流速分布更为均匀，正对网孔处出现速度峰值较小，PFER中电极间流速呈抛物线分布;电极网孔可增加流体扰动，增强湍流强度，网板电极垂直排布可大大增加电极的有效面积，但增加流体输送能消耗，增大进出口压差。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 电催化氧化技术在废水处理中的应用

1．3 柱塞流电催化氧化反应器

1．3．1 柱塞流(管式)电催化氧化反应器简介

1．3．2 管式电催化氧化反应器在废水处理中应用

1．3．3 网板电极在管式电催化氧化反应器中的应用

1．3．4 PFER的流动特性研究现状

1．3．5 传统管式电催化氧化反应器的缺陷

1．3．6 网板柱塞流电化学反应器的提出

1．4 CFD技术

1．4．1 CFD技术简介

1．4．2 CFD技术在反应器性能研究中的应用

1．5 本研究内容

第二章 模型建立

2．1 CFD模拟

2．2 FLUENT软件

2．3 控制方程

2．3．1 连续性方程

2．3．2 动量方程

2．3．3 能量方程

2．4 湍流模型

2．4．1 Spalart-Allmaras模型(一方程模型)

2．4．2 Standard k-ε模型(标准k-ε模型)

2．4．2 Realizable k-ε模型(R k-ε)

2．5 壁面函数

2．6 数值计算

2．6．1 离散化方法

2．6．2 离散格式

2．6．3 迭代求解方法

2．7 Gambit建模与划分网格

2．7．1 模型的建立

2．7．2 网格划分

2．8 本章小结

第三章 PRE-PFER网板结构的优化

3．1 多孔介质模型

3．1．1 多孔跳跃

3．1．2 初始和边界条件

3．1．2 收敛性分析

3．1．3 Profile文件

3．2 单板模型

3．2．1 模型的建立及边界条件

3．2．2 速度分布

3．3 多板模型

3．3．1 模型的建立及边界条件

3．3．2 电极间排布的角度对流场的影响

3．3．3 电极间间距对流场的影响

3．4 本章小结

第四章 PRE-PFER进口方式优化

4．1 模型的建立以及初始、边界条件的设置

4．2 速度分布

4．2 压降

4．3 本章小结

第五章 新型网板柱塞流和传统电反应器对比

5．1 模型的建立

5．2 速度分布

5．2 湍流强度

5．2 压降

5．3 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

硕士学位攻读期间发表的论文和申请的专利目录