灯管布置方式对管式紫外消毒器性能的模拟研究

刘美丽，李莉莉，陈家庆，郝文超，韩严和

(1.北京石油化工学院环境工程系，北京 102617； 2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083； 3.北京森宝水务工程有限公司，北京 100081)

灯管布置方式对管式紫外消毒器性能的模拟研究

刘美丽1，李莉莉2，陈家庆1，郝文超3，韩严和1

(1.北京石油化工学院环境工程系，北京 102617； 2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083； 3.北京森宝水务工程有限公司，北京 100081)

顺流式紫外消毒器中灯管布置方式对消毒效果有很大影响，采用数值模拟的方法对紫外消毒器中灯管不同布置方式下的运行效果进行模拟比较。结果表明：通过改变消毒器中灯管的布置方式，可以有效改变消毒器内的辐射场和粒子受到的辐射剂量。在所研究的3种布置形式中，五边形均布形式的消毒器中辐射光强和辐射剂量分布更加均匀，而且粒子所受辐射剂量明显提高，可以产生更好的消毒效果。

紫外消毒；CFD模拟；灯管布置方式；辐射剂量

紫外线消毒技术因具有光谱高效、无二次污染、安全可靠并可实现自动控制等优点被广泛应用于水处理过程。在已建成的污水处理厂中，有半数以上的厂家应用紫外消毒技术，而紫外线剂量是进行紫外线消毒工艺的重要指标，微生物所接收到的紫外照射剂量决定了其灭活的程度[1-2]。研究表明，光的强度、灯管的布置方式和反应器的内部结构形态会对辐射剂量分布有较大影响[3]。传统的生物剂量法实验工作量大，过程繁杂，成本高，且生物剂量实验不能获得消毒系统内部的量化信息等缺点，不能直接指导紫外消毒设备的优化设计[4-5]。随着数值模拟方法的发展和应用，国外紫外消毒设备生产厂家都已将数值模拟作为一种优化产品结构的有效研发手段[6]。Liu[7]在管道式紫外反应器中，分别用6种不同的湍流模型对流态进行模拟试验，结果表明数值模拟具有较好的精度，并发现辐射剂量分布和灭活效率与流动过程密切相关。Lim和Lee[8]通过实验发现紫外灯倾斜排列能使紫外线剂量增加，特别是在较小的倾斜角度下能获得更大的紫外线剂量。Jin等[9]分析了灯管排布方式及灯管间有无遮挡对消毒效率的影响。但国内对于消毒器内流动过程及其辐射剂量量化关系的研究较少，尤其是将CFD模拟作为研究手段对紫外消毒设备进行性能改进[10]。为此，笔者利用课题组已建立的数值计算模型[11]，分析了一种管式消毒器内灯管排布结构对紫外消毒器性能的影响。

1 紫外线消毒器几何结构

管式紫外消毒器采用顺流流动形式，几何结构如图1所示，其主要由入口、出口、消毒箱体和支座等组成。消毒器为“上进上出”结构，内置6根直径20 mm、功率320 W的紫外灯管，且灯管与水流方向一致，具体结构尺寸如图1所示。为了保证流场与辐射场的有效耦合，设计了如图2所示的3种灯管布置方式：矩形分布、六边形均布、五边形均布。

2 数值模拟模型

利用FLUENT前处理软件GAMBIT建立紫外消毒器的几何模型、网格划分以及边界定义，网格划分全部采用计算精度较高的结构化网格。以五边形均布灯管为例，紫外消毒器网格划分如图3所示。

紫外消毒过程的数值模拟过程主要包括流场模拟、辐射场模拟以及辐射剂量计算三部分。笔者以液态水为流动介质模拟紫外消毒过程。入口设置为速度入口，根据处理量换算得到入口速度v=2.04 m/s；出口设置为压力入口，假定其与环境压力相同；取水的透光率为90%，根据公式a=-100×ln(I/I0)计算液态水的吸收系数a=10.54，其他选项保持默认值不变。入口与出口的辐射边界条件：外部非灰体温度设为边界温度，内部辐射值设为0.87；灯管为半透明模式，辐射强度为1 000 W/m2，假设所有辐射都是漫反射过程，即漫反射值设为1。

湍流模型选择k-ε模型，压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，各项的离散格式选择精度较高的QUICK差分格式。当流场稳定后施加辐射模型，考虑到光学深度和光的散射反射以及非灰体辐射等因素，选择离散坐标模型(DO模型)，可实现对辐射强度的计算。

3 数值模拟结果分析

3.1 流场分析

在不同灯管布置条件下，分别截取了各消毒器x=200、800、1 500 mm横截面的速度分布，分析内部水的速度分布情况，模拟结果如图4所示。

在3种不同布管方式下，水在入口段均获得了最大速度，进入消毒布管区域后，由于灯管的存在使流场速度分布发生了明显变化。在从进口流向出口时，流动整体趋于均匀，但每条紫外灯管附近都存在不同程度的滞留区。整体而言，五边形布置时，灯管对流场的梳理效应最好。

不同布管方式下，粒子停留时间分布如图5所示。由图5可以看出，3种结构下粒子停留时间均主要在2～5 s范围内，其中五边形布管方式下停留时间3 s的粒子最多，占55%，矩形布管次之，约占45%，而六边形布管只有35%。这说明五边形布管方式下粒子停留时间更加集中，意味着五边形布管使得消毒器内的流动更接近于平推流，这有益于保证消毒质量。

3.2 辐射场分析

不同灯管布置方式下，各消毒器x=200、800、500 mm横截面上辐射强度云图如图6所示。由图6可以看出，管内辐射以每条灯管为中心，辐射强度向外递减规律变化。不同的布管方式对辐射场的影响远大于其对流场的影响。从横截面对比来看，五边形布管在各个方向上的光强分布相对矩形和六边形布管更加均匀，矩形布管方式的光强区域集中在中心灯管附近的2个类似于矩形的带状区域，六边形布管方式的光强区域集中在1个类似于圆环的带状区域，而五边形布管方式则使得消毒器中心大部分区域内具有较高的光照辐射强度，整体覆盖面积也相对更大。

3.3 颗粒追踪和辐射剂量计算

由于微生物颗粒的散射、介质吸收、消毒器壁反射等因素的影响，消毒器内任意一点的辐射强度都不相同；同时粒子运动具有很大的随机性，所以必须在粒子的运动轨迹上将辐射强度对停留时间进行积分，才能准确求得粒子的辐射剂量。

为了追踪粒子的随机运动，采用拉格朗日法模拟每个细菌粒子在紫外消毒器内的详细运动情况。计算时，根据时间步长或者网格单元将粒子的运动轨迹划分为有限个微小线元，通过编写UDF程序读取该微小线元内的平均辐射光强与粒子通过该微小线元的时间，并计算粒子通过该微小线元时受到的辐射剂量，将整个运动轨迹上粒子经过所有微小线元受到的辐射剂量叠加在一起得到粒子整个运动过程中受到的辐射剂量。将该UDF程序加入DPM模型中，即可在追踪粒子轨迹的同时统计得到粒子所受的辐射剂量。

流场和辐射场计算完成后，加载UDF程序，进行编译，加载动态链接库，在粒子运动过程中通过积分运算获得粒子流过消毒器时受到的辐射剂量。设置入射面为面入射源，采用随机离散模型，以分析粒子在紫外消毒器内的运动轨迹和所受辐射剂量情况。五边形布管方式下入射粒子运动轨迹示意图如图7所示。从图7可以看出，由于消毒器内的流动为湍流流动，粒子运动具有很大的随机性，所以即使从同一点入射的3个粒子，在消毒器内的运动轨迹也不尽相同，在从入口向出口运动的过程中，每个粒子所受的辐射剂量都逐渐增多，但是由于粒子运动的随机性以及辐射场光强分布的不均匀性，每个粒子辐射剂量的增长速度和获得的总辐射剂量都不相同，因此很难采用平均光强乘以平均停留时间来计算粒子所受辐射剂量。

粒子所接收的辐射剂量直接反应出消毒器的性能，由上述分析可知，研究少数粒子接收的辐射剂量并不能准确反应消毒器的性能。因此在入口入射3 000个粒子，统计其辐射剂量的分布情况。不同布管方式下，粒子接收辐射剂量分布图如图8所示。由图8可以看出，矩形布管消毒器内大部分粒子受到的总辐射剂量在50～70 mJ/cm2之间，占到整体数量的80%；六边形布管消毒器大部分粒子受到的总辐射剂量在60～80 mJ/cm2之间，占到整体数量的75%；五边形布管消毒器大部分粒子受到的总辐射剂量在60～80 mJ/cm2之间，约占总体的86%。从辐射剂量强度而言，采用六边形或五边形分散式布管可以提高粒子通过时受到的辐射剂量；从粒子辐射剂量分布来看，五边形布管使粒子辐射剂量分布更加集中，矩形布置方式次之。由此可见，3种布管方式中，采用五边形布置方式时，消毒器的杀菌效果最好。

4 结论

利用FLUENT软件，通过建立的数值模拟模型考察了灯管布置方式不同时紫外消毒器的性能。改变灯管布置方式对消毒器内辐射场的影响较大，采用五边形布置方式时消毒器内的光照强度分布更均匀，流动也更接近平推流，从而使86%的粒子的辐射剂量集中在60～80 mJ/cm2之间，消毒器的杀菌效果最好。六边形布置虽然使光强分布较均匀，粒子所受辐射剂量高于矩形布置；但六边形布置时流场均匀性差，因此六边形布置时粒子所受辐射剂量分布不如矩形布管时集中。在壁面设置扰流内构件，增加壁面附近粒子的停留时间，可进一步提高消毒器性能。

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[2] 杨波，王社平，张林军.紫外消毒技术在再生水处理中的应用[J].中国给水排水，2010，26(19):81-83.

[3] 杨柯敏，蔡敏琦，张燕.污水紫外线消毒工艺及影响因素[J].南京工程学院学报:自然科学版，2013，11(1):65-69.

[4] 李梦凯，强志民，史颜伟，等.紫外消毒系统有效辐射剂量测试方法研究进展[J].环境科学学报，2012，32(3):513-520.

[5] 李梦凯，王琛，陈鹏，等.饮用水紫外消毒器辐射剂量验证和在线监控[J].中国给水排水，2013，29(7):48-51.

[6] 姚振兴，王明泉，孙韶华，等.紫外线消毒技术在饮用水处理中的应用[J].城镇供水，2013(2):14-17.

[7] Lawryshyn Y A， Cairns B. UV disinfection of water: the need for UV reactor validation[J]. Water Recycling in the Mediterranean Region， 2003，3(4):293-300.

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[9] Lim S J， Lee Y J. Enhancement of UV disinfection efficiency by arraying inclined lamps[J]. Korean Journal of Chemical Engineering， 2006，23(4):595-6001.

[10] Jin S S， Linden K G， Ducoste J， et al. Impact of lamp shadowing and reflection on the fluence rate distribution in a multiple low-pressure UV lamp array[J]. Water Research， 2005，39(12):2711-2721.

[11] 董晓清，张艳，高新磊.基于CFD技术的腔体式紫外消毒反应器优化模拟[J].中国给水排水，2014，30(17):77-81.

[12] 刘美丽，李强，陈家庆.紫外消毒器辐射剂量模拟与设备设计[J].环境工程学报，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

北京市教委科技计划面上项目(KM20151001 7008)。

刘美丽(1985—)，博士研究生，讲师，主要从事多相流动与分离过程的实验和数值模拟研究，E-mail:liumeili@bipt.edu.cn。

X703.1

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