基于CFD UV反應器的優化設計與仿真

周國祥， 肖英杰， 魯 陽， 王易晨， 陸舒楠

(上海海事大學 a. 商船學院； b. 航運仿真技術教育部工程研究中心， 上海 201306)

2017-04-28

周國祥(1991—)，男，重慶忠縣人，碩士，研究方向為載運工具運用工程。E-mail：zhougqmaritime@sina.com

1000-4653(2017)03-0093-05

基于CFDUV反應器的優化設計與仿真

周國祥a,b， 肖英杰a,b， 魯 陽a,b， 王易晨a,b， 陸舒楠a,b

(上海海事大學 a. 商船學院； b. 航運仿真技術教育部工程研究中心， 上海 201306)

為提高紫外線船舶壓載水器的處理效率，在現有紫外線壓載水處理技術的基礎上，通過優化反應器進出口設計和紫外線燈管的布置方案，使水流在反應器內部的流場得到改善，紫外線輻照強度在反應器截面上的分布更加均勻，進而提高反應器的處理效率。通過計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真，驗證該方案的可行性。結合仿真結果，提出進一步提高紫外線反應器處理效率的建議。

紫外線壓載水處理； 計算流體力學； 裝置優化； 流場改善

船舶壓載水在保證船舶安全航行方面發揮著重要作用。隨著船舶的大型化發展，單船壓載艙容量及單船壓載水排放對港口和沿海水域的影響越來越大。物種轉移很可能會造成生物入侵，帶來極大的危害。[1]為控制和防止船舶壓載水傳播有害水生物及病原體，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)于 2004 年制定了《船舶壓載水及沉積物控制和管理國際公約》(以下簡稱《2004 壓載水管理公約》)。該公約對壓載水的排放管理及排放標準提出了要求，要求到 2017 年所有船舶都安裝壓載水處理設備，否則公約生效后不能駛入IMO 成員國港口，違反公約將受到處分。[2]

近年來，世界各國加快了研究各類壓載水處理設備的步伐。在以往的紫外線壓載水處理器研究中，反應器內部紫外線強度容易受燈管布置的影響，且其設計不具備延展性。對此，在已有研究的基礎上提出具備延展性的燈管布置方案，使反應器的處理能力和處理效率不再受燈管排列方式的限制。

1 IMO關于壓載水處理設備排放的標準

IMO船舶壓載水排放標準見表1。

IMO 有關標準[3]規定試驗認證用壓載水處理系統的壓載水處理量不得低于200 m3/h。

2 紫外線殺菌的理論基礎

2.1紫外線殺菌原理

根據相關研究[4-5]，在不同溫度下，DNA和RNA吸收紫外線光譜的范圍為240～280 nm，其中：波長為253.7 nm的紫外線吸收效果最好；波長為185 nm的紫外線能產生臭氧，臭氧的強氧化性也能起到殺菌消毒的作用。紫外線的殺菌原理與其對核酸、蛋白質及酶的作用有關。當水中的細菌、病毒和藻類等生物受到一定劑量的C波段紫外線照射時，胞體內的DNA和RNA結構遭到破壞，基因的復制、轉錄和表達受阻，蛋白質和酶合成受阻，從而使病毒的遺傳物質失去活性，細菌無法進行二分裂，藻類因無法進行正常的新陳代謝而失去活性，從而達到消毒和凈化的目的。根據研究，當海洋生物在紫外線的照射下接受的劑量達到一定值時，微生物不再具有活性。部分微生物在接受紫外線照射之后，在可見光的環境中，在光復活酶的作用下，DNA結構會恢復正常。但是，當其接受的總劑量增加到一定值時，將不再具備光復活性。部分微生物由于缺乏光復活酶，不具備光復活性。在所有微生物中，殺滅藍藻所需劑量最高，達到300 000 μJ/cm2。

表1 IMO船舶壓載水排放標準

2.2紫外線燈管的選擇

對比各種紫外線光源可知，低壓汞齊燈單根燈管的輸出功率約為300 W，輻射出的紫外線功率可達到普通低壓汞燈的10倍。汞齊燈獨特的鍍膜涂層保證其不會發生石英玻璃的透射損失。此外，可在工作16 000 h后依然保持90%以上的紫外線輸出功率。因此,在燈的整個使用壽命周期內都會有持續穩定的殺菌效果。汞齊燈對溫度波動不敏感，甚至可在 90 ℃的環境溫度下使用。[6]由于具有壽命長和功率高的特點，汞齊燈有節約燈管和系統元件使用數量、降低能源消耗和維護時間的巨大潛力，因此可明顯地降低消毒系統的運營成本。

該設計選擇253.7 nm單波長的低壓汞齊燈。為保證反應器的殺菌效果，必須保證壓載水在處理過程中接受紫外線達到一定的劑量。

2.3紫外線接受總量計算

在計算壓載水接受紫外線的劑量時，將壓載水看作是由微小的點元組成的，通過計算點元從進入反應器到流出反應器這段時間內的接受總劑量來確定壓載水接受紫外線的劑量，其接受總劑量Dose的計算式為

(1)

式(1)中：Dose為點元接受總劑量，μJ/cm2；I為反應器內某單點紫外線照射強度，μW/cm2；t為照射時間，也是點元在反應器內的停留時間，s。

點元在反應器內的處理時間t可由路徑長度和點元速度求得，即

t=L/v

(2)

式(2) 中：L為反應器縱向長度，m；v為點元縱向分速度，m/s。

由式(1)和式(2)可知，反應器設計的關鍵在于確定輻照總劑量，輻照總劑量的大小與紫外線燈管的有效輸出功率、輻照強度和總照射時間有關。燈管的輸出功率為定值。因此，反應器設計的關鍵在于保證合適的輻照強度、確定反應器縱向距離和配置合理的內部流場，從而保證壓載水在處理過程中能接受足夠的輻照劑量。

紫外線強度計算采用徑向輻射模型，將紫外線燈看作是一個能量均勻分布的直線光源，并作以下假設[7]：

1) 紫外線燈輻射能量沿軸向均勻分布。

2) 紫外線垂直于燈管軸線及石英套管外壁，以柱面的形式沿徑向向外傳播能量。

3) 只考慮水中污染物對紫外線的吸收，不計空氣、石英和水界面的折射及水中污染物的散射和反射。

2.4朗伯定律

有色溶液對光的吸收程度與溶液的濃度、液層的厚度及入射光的波長有關。當入射光的波長、溶液的濃度及溫度一定時，溶液的吸光度與液層的厚度成正比，該關系稱為朗伯定律。[8]

由朗伯定律可知，燈管發出的紫外線的能量在從管壁傳遞到流域中某一點的過程中，除了會被外層石英玻璃管吸收，還會被管外的水層吸收。因此，在計算水層中的紫外強度分布情況時，要綜合考慮上述2種衰減?！蹲贤饩€消毒設計規范》[9]中規定結晶石英套管在波長為253.7 nm的紫外線透過率≥90%。這里假設石英玻璃管對紫外線的透過率ηQ=85%。假設不計紫外線能量在燈管與石英套管間空氣中的衰減，則由朗伯定律可知，距離燈管管壁為d的某點的紫外輻照強度I可表示為

I=I0ηQe-αd

(3)

式(3)中：I為水層厚度為d的點輻照強度，μJ/cm2；I0為石英燈管管壁的紫外線照射強度，μW/cm2；ηQ為石英玻璃管對紫外線的透過率，ηQ=85%；α為水的光吸收系數，取定值-0.232 6 cm-1。

由采用的輻照模型的3個假設可知，每只紫外線燈的輻照能量在以燈管為軸線的圓心柱面上均勻分布，且在同一個柱面上任意點的紫外線輻照強度都是相等的。輻照強度的大小隨距離燈管管壁的距離的增大而減小。設紫外線燈的額定輸入功率為P，波長為253.7 nm 的紫外線的輸出效率為η，燈管的有效長度(弧長)為L，可得到半徑為r的柱面上任意一點的初始紫外線強度I0為

(4)

將式(4)代入式(3)得

(5)

2.5紫外線殺菌動力學

紫外線殺菌的實質是光化學反應，符合一級反應動力學模型。根據已有的試驗研究結果[10]，一級反應公式對病毒殺滅率的適用性可達99.999%。

3 紫外線壓載水處理器反應器的設計

3.1設計要求

船舶在世界各地航行時，會根據自身需求在不同的水域加載壓載水，因此其壓載水中的細菌、病毒等生物存在一定的廣泛性，這對處理程序提出了更高的要求。為能殺滅大部分微生物，要求處理過程中的最低總劑量達到300 000 μJ/cm2。

采用雙入口、單出口設計。2個入口設置在反應器底部，與桶壁相切，進水速度沿著相反的方向；出水口設置在反應器頂部，沿反應器中心線向上。用SolidWorks進行三維建模，得到反應器三維立體圖見圖1。

圖1 反應器三維立體圖

3.2燈管布置

反應器截面布置圖見圖2，其中小圓為石英玻璃管。每3個石英玻璃管的中心點組成1個等邊三角形，每7塊石英玻璃組成1個正六邊形，形狀類似于蜂窩，故命名為蜂窩排列。[11-14]

圖2 反應器截面布置圖

蜂窩排列的創新點：

1) 截面照射強度分布均勻，無照射盲區。截面可看作是由若干個等邊三角形組成的，最外層等邊三角形的強度分布相同;內部所有三角形的強度分布均相同，且略大于外層等邊三角形的強度。

2) 處理能力具備拓展性。良好的截面拓展性使得反應器的處理能力具備拓展性，這亦使得設計大流量反應器不再受燈管布置導致截面強度分布不均的限制，僅與燈管管壁之間的間距和反應器的高度有關。

3.3燈管布置

截面內任意一點的照射強度是截面所有燈管在該點的照射強度的疊加。有研究表明，當水層厚度達到10 cm時，紫外線穿透率僅為10%。因此,選擇燈管間距的臨界值為10 cm。

為便于計算，對計算區域進行分區和標記(見圖3)。數字代表區域，字母代表燈管。將圖3中B,E,I,F所圍區域作為截面輻照強度計算單元。忽略相隔較遠的燈管對各區域的貢獻，將區域1接受的輻照強度簡化為燈管A，B，D，E，F在區域1的疊加，區域2所接受的輻照強度簡化為燈管A，B，C，E，F在區域2的疊加。由于外層三角形的劑量分布強度略低于內部三角形，因此若區域1的輻照強度滿足設計要求，則整體設計方案在截面上的輻照強度滿足設計要求。

等邊三角形的邊長為L，以燈管D的中心點為原點建立直角坐標系。設點Q為區域1中的任意一點，則Q點與各燈管之間的距離分別為

(6)

(7)

圖3 計算區域標記圖

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

各燈管在Q點的劑量為

(14)

代入計算點與計算域各燈管之間的距離得Q點的輻照強度為

(15)

由式(15)可知，Q點的輻照強度是關于等邊三角形邊長的函數，當水層厚度達到10 cm時，紫外線穿透率僅為10%。在設計中，選擇燈管中心距離為11 cm，即每相鄰2根燈管管壁之間的距離為5 cm。

利用MATLAB對紫外線輻照強度進行計算，結果見圖4和圖5。

由圖4可知，在菱形顯示區域內，其紫外線強度所在區間為150 000～160 000 μW/cm2，平均輻照強度約為155 000 μW/cm2，不存在大的跳躍，紫外線強度分布均勻。整個反應器截面由多個相同的三角形區域組成，因此整個反應器截面的輻照強度分布均勻。在以往的設計方案中，有的采用同心圓的布置方案，有的采用環形燈管圍繞在處理水流外側的布置方案，有的通過計算采用不規則排列的布置方案。對于這些布置方案，紫外線在橫截面的輻照強度都存在輻照暗點，導致截面輻照強度存在大的跳躍，從而導致輻照強度分布不均勻，燈管的截面布置方式不具備可延伸性。與以往的設計方案相比，該方案在截面輻照強度分布方面有了很大改善。

圖4 計算域輻照強度分布圖

圖5 計算域強度數值分布

考慮邊緣三角形的強度分布，在計算域內(如圖5所示)，大部分區域的輻照強度分布在148 000～168 000 μW/cm2，最小輻照強度約為137 500 μW/cm2，平均輻照強度約為150 900 μW/cm2，其分布滿足高斯分布。輻照強度遠大于設計平均輻照強度100 000 μW/cm2，能滿足設計要求。

3.4反應器內部流暢模擬

將模型導入到Gambit內進行邊界定義及面網格和體網格劃分，將反應器模型劃分為入流區、壁面區和出流區等3部分進行網格劃分。將劃分好的網格文件導入到Fluent中進行流場模擬。流場的模擬以質量守恒、動量守恒和能量守恒為基礎，建立連續方程、動量方程和能量方程對流場內各計算點的位置參數進行求解。利用 Fluent 軟件中的離散相[15]湍流模型對裝置內的流場進行數值模擬分析，設置進口速度為2.5 m/s。

圖6為反應器速度云圖，圖7為質量停留時圖，圖8為速度分布，圖9為Z軸方向速度分布。由圖6可知:在整個反應器內部，速度分布比較均勻，速度較大的位置位于進口及出口與反應器頂部連接位置；反應器內的最大流速約為3.8 m/s，出現在出口與反應器連接處。由圖8可知：最大速度所占比例非常小，不到1%，不會影響反應器的整體處理效果；無明顯的高流速區域，最小流速為0.000 1 m/s，主要位于反應器頂部流場靜區；在反應器內部，速度0.0～0.5 m/s所占比例最大(主要分布在反應器中上部)，其次為0.5～1.0 m/s(主要分布在反應器入口附近)。由圖9可知：沿Z軸方向的分流速主要集中在0.0～1.0 m/s，其中0.0～0.5 m/s分布在反應器中上部，速度分布均勻，不存在較大的速度跨越。整體分布比較均勻，這樣的速度分布有利于改善反應器的處理效果。結合圖4和圖7可知：反應器截面平均輻照強度約為155 000 μW/cm2，反應器平均處理時間約為3.97 s，當壓載水流經反應器時，所接受的紫外線劑量約為615 350 μJ/cm2，能殺死對紫外線劑量要求較高的藍藻屬生物。

圖6 反應器速度云圖圖7 質點停留時圖

圖8 速度分布圖9 Z軸方向速度分布

4 結束語

將紫外線消毒技術應用到壓載水處理領域中，通過對紫外線壓載水處理器的燈管布置進行優化，并用MATLAB對反應器截面的紫外線強度進行計算分析，用Fluent軟件對反應器內部的流場和輻照劑量進行仿真分析。

1) MATLAB計算結果表明：蜂窩排列的截面強度分布均勻，不存在輻照死角，其最小光照強度和平均輻照強度均比以往的設計方案高。

2) Fluent的模擬結果表明：反應器內部流場分布均勻，在處理過程中，壓載水接受的輻射總劑量能滿足殺菌要求。仿真結果表明：反應器頂部存在流場靜區，在反應器的結構上存在繼續優化的空間。反應器頂部可設計為弧形曲面，以消除流場靜區。若在反應器內壁增設螺旋曲線，不僅可改善內部流場，還可將螺旋線作為流體導軌，從而使水流在反應器內形成螺旋上升的流場；水流在流經反應器內部時，所流經的路徑得以延長，從而延長接受紫外線照射的時間，使接受的總劑量增加，提高反應器的處理效率。由于當前三維建模技術存在一定的局限性，因此在模型內部添加螺旋導軌的設想無法實現，通過仿真的方式驗證模型的有效性存在一定的困難。

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CFDBasedOptimizationDesignandSimulationofUVReactorforBallastWaterTreatment

ZHOUGuoxianga,b,XIAOYingjiea,b,LUYanga,b,WANGYichena,b,LUShu’nana,b

(a. Merchant Marine College; b. Engineering Research Center of Shipping Simulation, Ministry of Education, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

In order to improve the treatment efficiency of the ship’s ballast water with UV radiation method, on the basis of the existing UV radiation method of ballast water treatment, an optimized design of the inlet and outlet of the reactor and the layout of the ultraviolet lamp tube are proposed which improves the flow field in the reactor and the ultraviolet radiation distribution. The effectiveness of these design improvements is verified through simulation with Fluent. A few suggestions about further improvement are put forward.

ultraviolet ballast water treatment; CFD; device optimization; flow field improvement

U664

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