催化型Trombe墙净化空气效果的CFD模拟研究方法技术

本发明专利技术提供一种催化型Trombe墙净化空气效果的CFD模拟研究方法，包括如下步骤：S1、CFD模型简化及假设：建立Trombe墙模型，并进行简化，然后对计算过程做出假设；S2、建立数学模型，包括流动模型、热传递模型、反应动力学模型、扩散模型、边界条件模型和空气净化效果评价模型；S3、确定Trombe墙的网格数量；S4、研究环境因素对甲醛和甲烷降解效果的影响，包括：太阳光照射强度，Trombe墙高度，空气流道宽度，风速，甲醛、甲烷入口浓度；S5、得到Trombe墙降解甲醛、甲烷的CFD计算结论。本发明专利技术将Trombe墙技术与光催化分解甲烷、甲醛结合起来，用于室内甲醛和大气环境中甲烷的去除。内甲醛和大气环境中甲烷的去除。内甲醛和大气环境中甲烷的去除。

【技术实现步骤摘要】
催化型Trombe墙净化空气效果的CFD模拟研究方法


[0001]本专利技术空气净化
，具体涉及一种催化型Trombe墙净化空气效果的CFD模拟研究方法。

技术介绍

[0002]气候暖化已成为全人类面临的严峻问题，在众多引起温室效应的因素中，某些人为排放(如农业、畜牧业、航空等)是无法避免的，所以需要通过“负排放”技术来实现“碳中和”。目前绝大多数的“负排放”技术都是针对二氧化碳气体的，但不容忽视的是，许多非二氧化碳温室气体的全球变暖潜能值(Global warming potential，GWP)远远高于二氧化碳。例如，以100年为基础，甲烷的GWP比二氧化碳高出近28倍，以20年为基础，则高出84倍。因此，非二氧化碳温室气体的“负排放”技术也是亟待解决的科技学难题。
[0003]光催化降解法被认为是最具发展潜力的一种温室气体“负排放”技术。科学家尝试将光催化剂涂覆在建筑物围护结构、人行道、墙体、窗户或道路上，用于去除大气中的温室气体。该技术最大的优势在于太阳光作为一个自然光源，可以持续不断地为光催化反应提供源源不断的光子作为驱动力，而无需外加能耗。同时，该项技术还可以实现自清洁和杀菌功能，从而大大降低了建筑的维护成本。
[0004]Trombe墙是一种利用太阳能为建筑供暖的技术，也被称为太阳能建筑一体化技术。一个典型的Trombe墙系统包含玻璃盖板、被涂黑的蓄热墙、空气流道和联通室内空间的上下通风口。蓄热墙通过切换不同的通风口开闭模式，来达到采暖或通风的效果。
[0005]近些年来，国内外研究者针对Trombe展开了大量研究工作并提出很多改进方案。其中，将催化技术与Trombe技术结合，用于室内甲醛气体的去除是研究热点之一。刘珊珊等利用对比实验研究了光催化型Trombe墙的甲醛降解及采暖性能。余本东等对比了光、热催化型Trombe的甲醛降解性能和空气集热性能，并建立了结合热催化型Trombe墙和光催化型Trombe墙的热质模型，提出集发电、净化、采暖和热水供应四个功能于一体的光催化型PV/T多功能系统。吴双应等研究了在冬季运行模式下，不同室内外环境对光伏光催化型Trombe墙的性能影响。目前，尚未见将Trombe墙技术与光催化分解甲烷、甲醛结合，用于室内甲醛和大气环境中甲烷的去除技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是提供一种催化型Trombe墙净化空气效果的CFD模拟研究方法，采用CFD模拟的方法研究了Trombe墙对甲醛和甲烷的降解效果，考查了太阳光照射强度、Trombe墙高度、空气流道宽度、风速、入口浓度等因素对降解效果的影响。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供一种催化型Trombe墙净化空气效果的CFD模拟研究方法，包括如下步骤：
[0008]S1、CFD模型简化及假设：建立Trombe墙模型，并进行简化，然后对计算过程做出假设；
[0009]S2、建立数学模型，包括流动模型、热传递模型、反应动力学模型、扩散模型、边界条件模型和空气净化效果评价模型；
[0010]S3、确定Trombe墙的网格数量；
[0011]S4、研究环境因素对甲醛和甲烷降解效果的影响，包括：太阳光照射强度，Trombe墙高度，空气流道宽度，风速，甲醛、甲烷入口浓度；
[0012]S5、得到Trombe墙降解甲醛、甲烷的CFD计算结论。
[0013]其中，步骤S1包括如下步骤：
[0014]S1.1、建立Trombe墙模型：包括集热墙和玻璃盖板，所述集热墙的面向太阳光的一侧敞口，所述玻璃盖板设于集热墙的敞口处，所述集热墙内、玻璃盖板的侧方设有挡墙，所述玻璃盖板与挡墙之间的间隙为空气流道，所述挡墙的上、下端与集热墙之间为室内上、下通风挡板，所述玻璃盖板的上、下端与集热墙之间为室外上、下通风挡板，所述玻璃盖板的内侧涂覆TiO2；
[0015]冬季白天时，室内上、下通风挡板打开，空气流道中的空气被加热后，在浮力的作用下自下而上流入室内实现采暖，同时空气中的甲醛在TiO2的作用下发生光催化分解，净化室内空气；夏季时，打开室外上、下通风挡板，从底部吸入空气，从顶部通风口流走，带走挡墙的热量，同时在TiO2涂层表面发生光催化反应分解大气中的甲烷；
[0016]S1.2、简化Trombe墙模型，简化后玻璃盖板的高度为H2，空气流道的间隙宽度为W2，空气出、入口通道的高度为高度为H1，空气出、入口通道长度为W1；
[0017]S1.3、计算过程基于如下假设：
[0018](1)光催化剂厚度忽略不计；
[0019](2)催化降解甲烷、甲醛的反应方程式为：
[0020]CH4+2O2＝CO2+2H2O，
[0021]CH2O+O2＝CO2+H2O；
[0022](3)甲烷、甲醛的光催化反应热忽略不计。
[0023]其中，步骤S2包括如下步骤：
[0024]S2.1、流动模型采用k
‑
ε模型；
[0025]S2.2、热传递模型采用S2S辐射模型；
[0026]S2.3、反应动力学模型：
[0027]甲醛光催化反应采用如下的Langmuir
‑
Hinshelwood(H
‑
L)模型：
[0028][0029]其中，是反应平衡常数指前因子，4800(ppb.m)/s；是吸附平衡常数，54298ppb
‑1；是反应活化能，19.020kJ/mol；是吸附热，
‑
13.252kJ/mol；R是通用气体常数，8.314J/(mol.K)；是反应物甲醛的浓度，mol/m3；
[0030]甲烷光催化反应采用如下模型：
[0031][0032]其中，是甲烷的反应速率，mol
·
m
‑2s
‑1；和是反应物甲烷和氧气的浓度，mol/m3；模型参数B＝0.537
×
10
‑6mol
·
W
‑1s
‑1；B1＝2.42m3/mol；B2＝4.60m3/mol；
[0033]S2.4、扩散模型采用如下控制方程：
[0034][0035]其中，是速度矢量；D是甲烷或甲醛在空气中的扩散常数；
[0036]扩散系数用如下半经验方程式计算：
[0037][0038]其中，M是气体的摩尔质量，p是总压，V是标准沸点的摩尔体积；
[0039]S2.5、边界条件模型：
[0040]对于玻璃侧，太阳光吸附强度为：
[0041]Qg＝agI；
[0042]对流传热速率为：
[0043]Qgc＝h(Tg
‑
Tamb)，
[0044]其中，h＝5.7+3.8Vwind；
[0045]辐射传热速率为：
[0046][0047]其中，Tsky＝0.05527Tamb
1.5
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化型Trombe墙净化空气效果的CFD模拟研究方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、CFD模型简化及假设：建立Trombe墙模型，并进行简化，然后对计算过程做出假设；S2、建立数学模型，包括流动模型、热传递模型、反应动力学模型、扩散模型、边界条件模型和空气净化效果评价模型；S3、确定Trombe墙的网格数量；S4、研究环境因素对甲醛和甲烷降解效果的影响，包括：太阳光照射强度，Trombe墙高度，空气流道宽度，风速，甲醛、甲烷入口浓度；S5、得到Trombe墙降解甲醛、甲烷的CFD计算结论。2.根据权利要求1所述的催化型Trombe墙净化空气效果的CFD模拟研究方法，其特征在于，步骤S1包括如下步骤：S1.1、建立Trombe墙模型：包括集热墙和玻璃盖板，所述集热墙的面向太阳光的一侧敞口，所述玻璃盖板设于集热墙的敞口处，所述集热墙内、玻璃盖板的侧方设有挡墙，所述玻璃盖板与挡墙之间的间隙为空气流道，所述挡墙的上、下端与集热墙之间为室内上、下通风挡板，所述玻璃盖板的上、下端与集热墙之间为室外上、下通风挡板，所述玻璃盖板的内侧涂覆TiO2；冬季白天时，室内上、下通风挡板打开，空气流道中的空气被加热后，在浮力的作用下自下而上流入室内实现采暖，同时空气中的甲醛在TiO2的作用下发生光催化分解，净化室内空气；夏季时，打开室外上、下通风挡板，从底部吸入空气，从顶部通风口流走，带走挡墙的热量，同时在TiO2涂层表面发生光催化反应分解大气中的甲烷；S1.2、简化Trombe墙模型，简化后玻璃盖板的高度为H2，空气流道的间隙宽度为W2，空气出、入口通道的高度为高度为H1，空气出、入口通道长度为W1；S1.3、计算过程基于如下假设：(1)光催化剂厚度忽略不计；(2)催化降解甲烷、甲醛的反应方程式为：CH4+2O2＝CO2+2H2O，CH2O+O2＝CO2+H2O；(3)甲烷、甲醛的光催化反应热忽略不计。3.根据权利要求1所述的催化型Trombe墙净化空气效果的CFD模拟研究方法，其特征在于，步骤S2包括如下步骤：S2.1、流动模型采用k
‑
ε模型；S2.2、热传递模型采用S2S辐射模型；S2.3、反应动力学模型：甲醛光催化反应采用如下的Langmuir
‑
Hinshelwood(H
‑
L)模型：其中，是反应平衡常数指前因子，4800(ppb.m)/s；是吸附平衡常数，
54298ppb
‑1；是反应活化能，19.020kJ/mol；是吸附热，
‑
13.252kJ/mol；R是通用气体常数，8.314J/(mol.K)；是反应物甲醛的浓度，mol/m3；甲烷光催化反应采用如下模型：其中，是甲烷的反应速率，mol
·
m
‑2s
‑1；和是反应物甲烷和氧气的浓度，mol/m3；模型参数B＝0.537
×
10
‑6mol
·
W
‑1s
‑1；B1＝2.42m3/mol；B2＝4.60m3/mol；S2.4、扩散模型采用如下控制方程：其中，是速度矢量；D是甲烷或甲醛在空气中的扩散常数；扩散系数用如下半经验方程式计算：其中，M是气...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄艳芳，刘志军，孙曹阳，宋毅，徐嘉辉，袁一鸣，
申请(专利权)人：南通职业大学，
类型：发明
国别省市：