【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光催化反应器的设计领域，具体是一种光催化装置中多物理场分布规律的分析方法及其应用。
技术介绍
1、自从光催化概念被提出以后，光催化技术在清洁能源和环境治理等领域得到了显著的认可，并且它具有操作简单方便，用于光催化的半导体材料不仅便宜还有易于获取等优点。尽管这项技术具有巨大的应用价值，但它受到半导体光催化材料和光催化反应器的限制使其工业化发展受阻。半导体光催化材料已经被人们进行了充分地研究了，其中二氧化钛作为常规的光催化剂只能响应紫外光且量子效率低，而碳点/氯氧化铋同样作为广泛使用的光催化材料因其具有独特的分层结构使得它的光响应区域扩充到了可见光范围。因此，选择碳点/氯氧化铋材料对传统污染物罗丹明b进行光催化降解具有代表性，并减少了对另一个光催化技术发展受阻因素研究时产生的影响。
2、在光催化反应器研究时常缺乏对光场和光催化材料分布情况的了解，从而难以提高量子效率以及传质效率。传统光催化反应器如固定化反应器和流化床反应器无法兼顾光子传输效率和传质效率，并且给光催化材料和被处理的有机污染物之间的反应接触时间很少，因此亟需开发新型光催化反应器。基于泰勒-库艾特涡流这一概念设计出来的反应器具有剪切应力小、轴向返混小、反应介质表面接触面积大等优点，给光催化反应器的设计提供了新的思路。但反应器内部情况仍是“黑盒子”一般，无法探查，这就需要引入数值模拟方法，对反应器内部污染物的流动情况、光催化材料的分布情况以及光场的分布情况进行剖析。通过本专利技术可以更好更方便地将泰勒-库艾特光催化反应器应用于光催化反应，帮助光催化
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种分析光催化装置中多物理场分布规律的方法，为泰勒-库艾特反应器在光催化领域的产业化发展提供理论基础和技术支持。
2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
3、一种分析光催化装置中多物理场分布规律的方法，采用实验和模拟相结合的方式进行数值模拟，包括以下步骤：
4、步骤s1：以罗丹明b为处理对象，以光催化材料为催化剂，通过光催化降解实验获取罗丹明b的表观速率常数以及光催化降解效率；
5、步骤s2：确定泰勒-库艾特反应器的结构与尺寸并对其进行简化，在icem软件中构建三维几何模型并对其进行结构化网格划分；
6、步骤s3：将划分好的三维网格模型导入ansys-fluent中进行模拟求解，并编写及导入udf程序；根据实验参数设置多相流模型、湍流模型、辐射模型、dpm模型、化学反应参数；pressure-velocity coupling采用coupled算法，采用warped-face gradientcorrection和high order term relaxation辅助计算；对模型进行标准初始化并设置边界条件，对所设定转速、光照强度条件下所述泰勒-库艾特反应器中流场、辐射场和光催化材料的分布情况，罗丹明b的降解过程的反应动力学进行瞬态计算，获得所模拟条件下罗丹明b的降解效率；
7、步骤s4：在result中查看流场分布云图、辐射场和离散相分布云图、模拟条件下罗丹明b的降解效率。
8、进一步的，所述步骤s1中，t时刻下罗丹明b的剩余浓度ct(mg/l)通过标准方程得到，ct＝9.64au，其中au为t时刻下的吸光度，标准误差为99.97％，表观速率常数kr采用拟一级反应速率方程得到：
9、进一步的，步骤s1中罗丹明b在光催化材料的光催化条件下的降解效率d％通过方程：得到，其中c0为罗丹明b初始浓度。
10、进一步的，所述步骤s3中udf程序包括气相和液相体积分数，光催化反应的反应速率及产物的质量分数。
11、进一步的，所述步骤s3中设置的边界条件为：
12、辐射边界类型：semi-transparent
13、dpm边界类型：reflect
14、边界材质：glass
15、内筒壁面运动状态：relative to adjacent cell zone roatational。
16、进一步的，所述步骤s3中多相流模型采用欧拉-欧拉两相流模型，湍流模型采用k-ε模型，辐射模型采用do模型，通过解决辐射传输方程：其中e为t时刻下光催化材料吸收的光载流子的辐射强度，κλ、σλ和φλ是光催化材料波长λ下的体积吸收系数、体积散射系数和辐射通量，r是光载流子传输方向的矢量，s是灯源处光载流子的速度矢量，s’是光载流子传输一定距离后的速度矢量，ω’是光载流子传输到固体的角度；dpm模型条件设置：
17、injection类型：surface
18、粒径分布：uniform。
19、进一步的，步骤s3中所述udf程序中罗丹明b的降解速率rrhb通过方程：得到，其中k为吸附平衡常数，m为罗丹明b的摩尔质量，e为光载流子辐射强度数值，i为光源强度。
20、进一步的，所述光催化材料为碳点/氯氧化铋。
21、所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法的应用，其特征在于，用于指导光催化装置的结构设计；结合流场、辐射场和离散相分布云图改变转速、光场强度这两个反应条件获得所述泰勒-库艾特反应器在多个反应条件下的流场、辐射场和光催化材料离散相的分布情况及罗丹明b的降解效率；根据模拟结果并参照罗丹明b的标准降解过程的降解效率，对所述光催化装置进行结构设计的调整指导、并确定合适的反应条件。
22、所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法的应用，其特征在于，用于确定光催化装置的光催化降解反应条件。
23、本专利技术中，在罗丹明b的化学反应速率的模拟中，将化学反应与流场、辐射场和离散相耦合，通过云图将泰勒-库艾特反应器内部可视化，更有利于分析不同操作条件给最终降解效率带来的影响。本专利技术可以根据不同操作条件下提供泰勒-库艾特反应器内部流场、辐射场和离散相分布情况，同时，还可以给出不同时间下光催化材料的降解效率。方便根据不同的需求选择出更合适地工况，并且可以减少试错成本，加快泰勒-库艾特反应器应用于光催化领域的进程，对光催化技术工业化发展具有重大意义。
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1.一种光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，t时刻下罗丹明B的剩余浓度Ct(mg/l)通过标准方程得到，Ct＝9.64AU，其中AU为t时刻下的吸光度，标准误差为99.97％，表观速率常数kr采用拟一级反应速率方程得到，
3.根据权利要求2所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，步骤S1中罗丹明B在光催化材料的光催化条件下的降解效率D％通过方程：得到，其中C0为罗丹明B初始浓度。
4.根据权利要求1所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，所述步骤S3中UDF程序包括气相和液相体积分数，光催化反应的反应速率及产物的质量分数。
5.根据权利要求1所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，所述步骤S3中设置边界条件：
6.根据权利要求1所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，所述步骤S3中多相流模型采用欧拉-欧拉两相流模型，湍流模型采用
7.根据权利要求6所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，步骤S3中所述UDF程序中罗丹明B的降解速率rRhB通过方程：得到，其中K为罗丹明B的吸附平衡常数，M为罗丹明B的摩尔质量，e为光载流子辐射强度数值，I为光源强度。
8.根据权利要求1所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，所述光催化材料为碳点/氯氧化铋。
9.权利要求1-8中任一项所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法的应用，其特征在于，用于指导光催化装置的结构设计；结合流场、辐射场和离散相分布云图改变转速、光场强度这两个反应条件获得所述泰勒-库艾特反应器在多个反应条件下的流场、辐射场和光催化材料离散相的分布情况及罗丹明B的降解效率；根据模拟结果并参照罗丹明B的标准降解过程的降解效率，对所述光催化装置进行结构设计的调整指导、并确定合适的反应条件。
10.权利要求1-8中任一项所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法的应用，其特征在于，用于确定光催化装置的光催化降解反应条件。
...【技术特征摘要】
1.一种光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，所述步骤s1中，t时刻下罗丹明b的剩余浓度ct(mg/l)通过标准方程得到，ct＝9.64au，其中au为t时刻下的吸光度，标准误差为99.97％，表观速率常数kr采用拟一级反应速率方程得到，
3.根据权利要求2所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，步骤s1中罗丹明b在光催化材料的光催化条件下的降解效率d％通过方程：得到，其中c0为罗丹明b初始浓度。
4.根据权利要求1所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，所述步骤s3中udf程序包括气相和液相体积分数，光催化反应的反应速率及产物的质量分数。
5.根据权利要求1所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，所述步骤s3中设置边界条件：
6.根据权利要求1所述的光催化装置中多物理场分布规律的分析方法，其特征在于，所述步骤s3中多相流模型采用欧拉-欧拉两相流模型，湍流模型采用k-ε模型，辐射模型采用do模型，通过解决辐射传输方程：其中e为t时刻下光催化材料吸收的光载流子的辐射强度，κλ、σλ和φλ是光催化材料波长...
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