燈管布置方式對管式紫外消毒器性能的模擬研究

劉美麗，李莉莉，陳家慶，郝文超，韓嚴和

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

燈管布置方式對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，韓嚴和1

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

順流式紫外消毒器中燈管布置方式對消毒效果有很大影響，采用數值模擬的方法對紫外消毒器中燈管不同布置方式下的運行效果進行模擬比較。結果表明：通過改變消毒器中燈管的布置方式，可以有效改變消毒器內的輻射場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

紫外線消毒技術因具有光譜高效、無二次污染、安全可靠并可實現自動控制等優(yōu)點被廣泛應用于水處理過程。在已建成的污水處理廠中，有半數以上的廠家應用紫外消毒技術，而紫外線劑量是進行紫外線消毒工藝的重要指標，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，光的強度、燈管的布置方式和反應器的內部結構形態(tài)會對輻射劑量分布有較大影響[3]。傳統(tǒng)的生物劑量法實驗工作量大，過程繁雜，成本高，且生物劑量實驗不能獲得消毒系統(tǒng)內部的量化信息等缺點，不能直接指導紫外消毒設備的優(yōu)化設計[4-5]。隨著數值模擬方法的發(fā)展和應用，國外紫外消毒設備生產廠家都已將數值模擬作為一種優(yōu)化產品結構的有效研發(fā)手段[6]。Liu[7]在管道式紫外反應器中，分別用6種不同的湍流模型對流態(tài)進行模擬試驗，結果表明數值模擬具有較好的精度，并發(fā)現輻射劑量分布和滅活效率與流動過程密切相關。Lim和Lee[8]通過實驗發(fā)現紫外燈傾斜排列能使紫外線劑量增加，特別是在較小的傾斜角度下能獲得更大的紫外線劑量。Jin等[9]分析了燈管排布方式及燈管間有無遮擋對消毒效率的影響。但國內對于消毒器內流動過程及其輻射劑量量化關系的研究較少，尤其是將CFD模擬作為研究手段對紫外消毒設備進行性能改進[10]。為此，筆者利用課題組已建立的數值計算模型[11]，分析了一種管式消毒器內燈管排布結構對紫外消毒器性能的影響。

1 紫外線消毒器幾何結構

管式紫外消毒器采用順流流動形式，幾何結構如圖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“上進上出”結構，內置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，具體結構尺寸如圖1所示。為了保證流場與輻射場的有效耦合，設計了如圖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、網格劃分以及邊界定義，網格劃分全部采用計算精度較高的結構化網格。以五邊形均布燈管為例，紫外消毒器網格劃分如圖3所示。

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

湍流模型選擇k-ε模型，壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，各項的離散格式選擇精度較高的QUICK差分格式。當流場穩(wěn)定后施加輻射模型，考慮到光學深度和光的散射反射以及非灰體輻射等因素，選擇離散坐標模型(DO模型)，可實現對輻射強度的計算。

3 數值模擬結果分析

3.1 流場分析

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，分析內部水的速度分布情況，模擬結果如圖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，進入消毒布管區(qū)域后，由于燈管的存在使流場速度分布發(fā)生了明顯變化。在從進口流向出口時，流動整體趨于均勻，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，燈管對流場的梳理效應最好。

不同布管方式下，粒子停留時間分布如圖5所示。由圖5可以看出，3種結構下粒子停留時間均主要在2～5 s范圍內，其中五邊形布管方式下停留時間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%。這說明五邊形布管方式下粒子停留時間更加集中，意味著五邊形布管使得消毒器內的流動更接近于平推流，這有益于保證消毒質量。

3.2 輻射場分析

不同燈管布置方式下，各消毒器x=200、800、500 mm橫截面上輻射強度云圖如圖6所示。由圖6可以看出，管內輻射以每條燈管為中心，輻射強度向外遞減規(guī)律變化。不同的布管方式對輻射場的影響遠大于其對流場的影響。從橫截面對比來看，五邊形布管在各個方向上的光強分布相對矩形和六邊形布管更加均勻，矩形布管方式的光強區(qū)域集中在中心燈管附近的2個類似于矩形的帶狀區(qū)域，六邊形布管方式的光強區(qū)域集中在1個類似于圓環(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)域內具有較高的光照輻射強度，整體覆蓋面積也相對更大。

3.3 顆粒追蹤和輻射劑量計算

由于微生物顆粒的散射、介質吸收、消毒器壁反射等因素的影響，消毒器內任意一點的輻射強度都不相同；同時粒子運動具有很大的隨機性，所以必須在粒子的運動軌跡上將輻射強度對停留時間進行積分，才能準確求得粒子的輻射劑量。

為了追蹤粒子的隨機運動，采用拉格朗日法模擬每個細菌粒子在紫外消毒器內的詳細運動情況。計算時，根據時間步長或者網格單元將粒子的運動軌跡劃分為有限個微小線元，通過編寫UDF程序讀取該微小線元內的平均輻射光強與粒子通過該微小線元的時間，并計算粒子通過該微小線元時受到的輻射劑量，將整個運動軌跡上粒子經過所有微小線元受到的輻射劑量疊加在一起得到粒子整個運動過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統(tǒng)計得到粒子所受的輻射劑量。

流場和輻射場計算完成后，加載UDF程序，進行編譯，加載動態(tài)鏈接庫，在粒子運動過程中通過積分運算獲得粒子流過消毒器時受到的輻射劑量。設置入射面為面入射源，采用隨機離散模型，以分析粒子在紫外消毒器內的運動軌跡和所受輻射劑量情況。五邊形布管方式下入射粒子運動軌跡示意圖如圖7所示。從圖7可以看出，由于消毒器內的流動為湍流流動，粒子運動具有很大的隨機性，所以即使從同一點入射的3個粒子，在消毒器內的運動軌跡也不盡相同，在從入口向出口運動的過程中，每個粒子所受的輻射劑量都逐漸增多，但是由于粒子運動的隨機性以及輻射場光強分布的不均勻性，每個粒子輻射劑量的增長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乘以平均停留時間來計算粒子所受輻射劑量。

粒子所接收的輻射劑量直接反應出消毒器的性能，由上述分析可知，研究少數粒子接收的輻射劑量并不能準確反應消毒器的性能。因此在入口入射3 000個粒子，統(tǒng)計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時受到的輻射劑量；從粒子輻射劑量分布來看，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，3種布管方式中，采用五邊形布置方式時，消毒器的殺菌效果最好。

4 結論

利用FLUENT軟件，通過建立的數值模擬模型考察了燈管布置方式不同時紫外消毒器的性能。改變燈管布置方式對消毒器內輻射場的影響較大，采用五邊形布置方式時消毒器內的光照強度分布更均勻，流動也更接近平推流，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；但六邊形布置時流場均勻性差，因此六邊形布置時粒子所受輻射劑量分布不如矩形布管時集中。在壁面設置擾流內構件，增加壁面附近粒子的停留時間，可進一步提高消毒器性能。

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[12] 劉美麗，李強，陳家慶.紫外消毒器輻射劑量模擬與設備設計[J].環(huán)境工程學報，2014，8(11):4612-4618.

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

北京市教委科技計劃面上項目(KM20151001 7008)。

劉美麗(1985—)，博士研究生，講師，主要從事多相流動與分離過程的實驗和數值模擬研究，E-mail:liumeili@bipt.edu.cn。

X703.1

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