劉美麗，李莉莉，陳家慶，郝文超，韓嚴(yán)和

(1.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京 102617； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083； 3.北京森寶水務(wù)工程有限公司，北京 100081)

燈管布置方式對(duì)管式紫外消毒器性能的模擬研究

劉美麗1，李莉莉2，陳家慶1，郝文超3，韓嚴(yán)和1

(1.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京 102617； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083； 3.北京森寶水務(wù)工程有限公司，北京 100081)

順流式紫外消毒器中燈管布置方式對(duì)消毒效果有很大影響，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)紫外消毒器中燈管不同布置方式下的運(yùn)行效果進(jìn)行模擬比較。結(jié)果表明：通過(guò)改變消毒器中燈管的布置方式，可以有效改變消毒器內(nèi)的輻射場(chǎng)和粒子受到的輻射劑量。在所研究的3種布置形式中，五邊形均布形式的消毒器中輻射光強(qiáng)和輻射劑量分布更加均勻，而且粒子所受輻射劑量明顯提高，可以產(chǎn)生更好的消毒效果。

紫外消毒；CFD模擬；燈管布置方式；輻射劑量

紫外線(xiàn)消毒技術(shù)因具有光譜高效、無(wú)二次污染、安全可靠并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水處理過(guò)程。在已建成的污水處理廠中，有半數(shù)以上的廠家應(yīng)用紫外消毒技術(shù)，而紫外線(xiàn)劑量是進(jìn)行紫外線(xiàn)消毒工藝的重要指標(biāo)，微生物所接收到的紫外照射劑量決定了其滅活的程度[1-2]。研究表明，光的強(qiáng)度、燈管的布置方式和反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)會(huì)對(duì)輻射劑量分布有較大影響[3]。傳統(tǒng)的生物劑量法實(shí)驗(yàn)工作量大，過(guò)程繁雜，成本高，且生物劑量實(shí)驗(yàn)不能獲得消毒系統(tǒng)內(nèi)部的量化信息等缺點(diǎn)，不能直接指導(dǎo)紫外消毒設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-5]。隨著數(shù)值模擬方法的發(fā)展和應(yīng)用，國(guó)外紫外消毒設(shè)備生產(chǎn)廠家都已將數(shù)值模擬作為一種優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有效研發(fā)手段[6]。Liu[7]在管道式紫外反應(yīng)器中，分別用6種不同的湍流模型對(duì)流態(tài)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明數(shù)值模擬具有較好的精度，并發(fā)現(xiàn)輻射劑量分布和滅活效率與流動(dòng)過(guò)程密切相關(guān)。Lim和Lee[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紫外燈傾斜排列能使紫外線(xiàn)劑量增加，特別是在較小的傾斜角度下能獲得更大的紫外線(xiàn)劑量。Jin等[9]分析了燈管排布方式及燈管間有無(wú)遮擋對(duì)消毒效率的影響。但國(guó)內(nèi)對(duì)于消毒器內(nèi)流動(dòng)過(guò)程及其輻射劑量量化關(guān)系的研究較少，尤其是將CFD模擬作為研究手段對(duì)紫外消毒設(shè)備進(jìn)行性能改進(jìn)[10]。為此，筆者利用課題組已建立的數(shù)值計(jì)算模型[11]，分析了一種管式消毒器內(nèi)燈管排布結(jié)構(gòu)對(duì)紫外消毒器性能的影響。

1 紫外線(xiàn)消毒器幾何結(jié)構(gòu)

管式紫外消毒器采用順流流動(dòng)形式，幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由入口、出口、消毒箱體和支座等組成。消毒器為“上進(jìn)上出”結(jié)構(gòu)，內(nèi)置6根直徑20 mm、功率320 W的紫外燈管，且燈管與水流方向一致，具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。為了保證流場(chǎng)與輻射場(chǎng)的有效耦合，設(shè)計(jì)了如圖2所示的3種燈管布置方式：矩形分布、六邊形均布、五邊形均布。

2 數(shù)值模擬模型

利用FLUENT前處理軟件GAMBIT建立紫外消毒器的幾何模型、網(wǎng)格劃分以及邊界定義，網(wǎng)格劃分全部采用計(jì)算精度較高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。以五邊形均布燈管為例，紫外消毒器網(wǎng)格劃分如圖3所示。

紫外消毒過(guò)程的數(shù)值模擬過(guò)程主要包括流場(chǎng)模擬、輻射場(chǎng)模擬以及輻射劑量計(jì)算三部分。筆者以液態(tài)水為流動(dòng)介質(zhì)模擬紫外消毒過(guò)程。入口設(shè)置為速度入口，根據(jù)處理量換算得到入口速度v=2.04 m/s；出口設(shè)置為壓力入口，假定其與環(huán)境壓力相同；取水的透光率為90%，根據(jù)公式a=-100×ln(I/I0)計(jì)算液態(tài)水的吸收系數(shù)a=10.54，其他選項(xiàng)保持默認(rèn)值不變。入口與出口的輻射邊界條件：外部非灰體溫度設(shè)為邊界溫度，內(nèi)部輻射值設(shè)為0.87；燈管為半透明模式，輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，假設(shè)所有輻射都是漫反射過(guò)程，即漫反射值設(shè)為1。

湍流模型選擇k-ε模型，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，各項(xiàng)的離散格式選擇精度較高的QUICK差分格式。當(dāng)流場(chǎng)穩(wěn)定后施加輻射模型，考慮到光學(xué)深度和光的散射反射以及非灰體輻射等因素，選擇離散坐標(biāo)模型(DO模型)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射強(qiáng)度的計(jì)算。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)分析

在不同燈管布置條件下，分別截取了各消毒器x=200、800、1 500 mm橫截面的速度分布，分析內(nèi)部水的速度分布情況，模擬結(jié)果如圖4所示。

在3種不同布管方式下，水在入口段均獲得了最大速度，進(jìn)入消毒布管區(qū)域后，由于燈管的存在使流場(chǎng)速度分布發(fā)生了明顯變化。在從進(jìn)口流向出口時(shí)，流動(dòng)整體趨于均勻，但每條紫外燈管附近都存在不同程度的滯留區(qū)。整體而言，五邊形布置時(shí)，燈管對(duì)流場(chǎng)的梳理效應(yīng)最好。

不同布管方式下，粒子停留時(shí)間分布如圖5所示。由圖5可以看出，3種結(jié)構(gòu)下粒子停留時(shí)間均主要在2～5 s范圍內(nèi)，其中五邊形布管方式下停留時(shí)間3 s的粒子最多，占55%，矩形布管次之，約占45%，而六邊形布管只有35%。這說(shuō)明五邊形布管方式下粒子停留時(shí)間更加集中，意味著五邊形布管使得消毒器內(nèi)的流動(dòng)更接近于平推流，這有益于保證消毒質(zhì)量。

3.2 輻射場(chǎng)分析

不同燈管布置方式下，各消毒器x=200、800、500 mm橫截面上輻射強(qiáng)度云圖如圖6所示。由圖6可以看出，管內(nèi)輻射以每條燈管為中心，輻射強(qiáng)度向外遞減規(guī)律變化。不同的布管方式對(duì)輻射場(chǎng)的影響遠(yuǎn)大于其對(duì)流場(chǎng)的影響。從橫截面對(duì)比來(lái)看，五邊形布管在各個(gè)方向上的光強(qiáng)分布相對(duì)矩形和六邊形布管更加均勻，矩形布管方式的光強(qiáng)區(qū)域集中在中心燈管附近的2個(gè)類(lèi)似于矩形的帶狀區(qū)域，六邊形布管方式的光強(qiáng)區(qū)域集中在1個(gè)類(lèi)似于圓環(huán)的帶狀區(qū)域，而五邊形布管方式則使得消毒器中心大部分區(qū)域內(nèi)具有較高的光照輻射強(qiáng)度，整體覆蓋面積也相對(duì)更大。

3.3 顆粒追蹤和輻射劑量計(jì)算

由于微生物顆粒的散射、介質(zhì)吸收、消毒器壁反射等因素的影響，消毒器內(nèi)任意一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度都不相同；同時(shí)粒子運(yùn)動(dòng)具有很大的隨機(jī)性，所以必須在粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡上將輻射強(qiáng)度對(duì)停留時(shí)間進(jìn)行積分，才能準(zhǔn)確求得粒子的輻射劑量。

為了追蹤粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，采用拉格朗日法模擬每個(gè)細(xì)菌粒子在紫外消毒器內(nèi)的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)情況。計(jì)算時(shí)，根據(jù)時(shí)間步長(zhǎng)或者網(wǎng)格單元將粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡劃分為有限個(gè)微小線(xiàn)元，通過(guò)編寫(xiě)UDF程序讀取該微小線(xiàn)元內(nèi)的平均輻射光強(qiáng)與粒子通過(guò)該微小線(xiàn)元的時(shí)間，并計(jì)算粒子通過(guò)該微小線(xiàn)元時(shí)受到的輻射劑量，將整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡上粒子經(jīng)過(guò)所有微小線(xiàn)元受到的輻射劑量疊加在一起得到粒子整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的輻射劑量。將該UDF程序加入DPM模型中，即可在追蹤粒子軌跡的同時(shí)統(tǒng)計(jì)得到粒子所受的輻射劑量。

流場(chǎng)和輻射場(chǎng)計(jì)算完成后，加載UDF程序，進(jìn)行編譯，加載動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，在粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)積分運(yùn)算獲得粒子流過(guò)消毒器時(shí)受到的輻射劑量。設(shè)置入射面為面入射源，采用隨機(jī)離散模型，以分析粒子在紫外消毒器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡和所受輻射劑量情況。五邊形布管方式下入射粒子運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖如圖7所示。從圖7可以看出，由于消毒器內(nèi)的流動(dòng)為湍流流動(dòng)，粒子運(yùn)動(dòng)具有很大的隨機(jī)性，所以即使從同一點(diǎn)入射的3個(gè)粒子，在消毒器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡也不盡相同，在從入口向出口運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，每個(gè)粒子所受的輻射劑量都逐漸增多，但是由于粒子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性以及輻射場(chǎng)光強(qiáng)分布的不均勻性，每個(gè)粒子輻射劑量的增長(zhǎng)速度和獲得的總輻射劑量都不相同，因此很難采用平均光強(qiáng)乘以平均停留時(shí)間來(lái)計(jì)算粒子所受輻射劑量。

粒子所接收的輻射劑量直接反應(yīng)出消毒器的性能，由上述分析可知，研究少數(shù)粒子接收的輻射劑量并不能準(zhǔn)確反應(yīng)消毒器的性能。因此在入口入射3 000個(gè)粒子，統(tǒng)計(jì)其輻射劑量的分布情況。不同布管方式下，粒子接收輻射劑量分布圖如圖8所示。由圖8可以看出，矩形布管消毒器內(nèi)大部分粒子受到的總輻射劑量在50～70 mJ/cm2之間，占到整體數(shù)量的80%；六邊形布管消毒器大部分粒子受到的總輻射劑量在60～80 mJ/cm2之間，占到整體數(shù)量的75%；五邊形布管消毒器大部分粒子受到的總輻射劑量在60～80 mJ/cm2之間，約占總體的86%。從輻射劑量強(qiáng)度而言，采用六邊形或五邊形分散式布管可以提高粒子通過(guò)時(shí)受到的輻射劑量；從粒子輻射劑量分布來(lái)看，五邊形布管使粒子輻射劑量分布更加集中，矩形布置方式次之。由此可見(jiàn)，3種布管方式中，采用五邊形布置方式時(shí)，消毒器的殺菌效果最好。

4 結(jié)論

利用FLUENT軟件，通過(guò)建立的數(shù)值模擬模型考察了燈管布置方式不同時(shí)紫外消毒器的性能。改變燈管布置方式對(duì)消毒器內(nèi)輻射場(chǎng)的影響較大，采用五邊形布置方式時(shí)消毒器內(nèi)的光照強(qiáng)度分布更均勻，流動(dòng)也更接近平推流，從而使86%的粒子的輻射劑量集中在60～80 mJ/cm2之間，消毒器的殺菌效果最好。六邊形布置雖然使光強(qiáng)分布較均勻，粒子所受輻射劑量高于矩形布置；但六邊形布置時(shí)流場(chǎng)均勻性差，因此六邊形布置時(shí)粒子所受輻射劑量分布不如矩形布管時(shí)集中。在壁面設(shè)置擾流內(nèi)構(gòu)件，增加壁面附近粒子的停留時(shí)間，可進(jìn)一步提高消毒器性能。

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Impact of Tube Arrangements on Performance of UV Disinfection Reactor

LIU Mei-li1， LI Li-li2， CHEN Jia-qing1， HAO Wen-chao3， HAN Yan-he1

(1.School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Petrochemical Technology， Beijing 102617， China; 2.School of Water Resources and Environment， China University of Geosciences (Beijing)， Beijing 100083， China; 3.Beijing Senbao Water Engineering Co.， LTD.， Beijing 100081， China)

The tube arrangement has great impact on the performance of downstream type ultraviolet disinfection reactor. The operating results of ultraviolet disinfection reactors with three different types of tube arrangement are simulated by using FLUENT. The results show that the fluid field and the radiation dose can be enhanced when the tube arrangements are changed. The fluid velocity, radiation area, and radiation of UV disinfection reactors with pentagonal distributed tubes are more uniform, so that it has better disinfection results.

UV disinfection； CFD； tube arrangement； radiation dose

2016-06-21

北京市教委科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM20151001 7008)。

劉美麗(1985—)，博士研究生，講師，主要從事多相流動(dòng)與分離過(guò)程的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，E-mail:liumeili@bipt.edu.cn。

X703.1

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