基于Fluent的压载水UV杀菌装置的优化及仿真∗

刘 畅 傅祥棣 李俊霞 陈 宁

1 引言

为了有效治理船舶压载水给海洋环境带来的危害，国际海事组织于2004年制定了具有国际法律约束力的强制性公约《国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》［1］，该公约已于2017年9月正式生效，研发达标的船舶压载水处理系统已成为公约如期执行的关键。为了更好地保护海洋环境，部分国家制定了比IMO的标准更加严格的船舶压载水的排放和置换法规，例如美国制定的USCG标准。可以预见在不久的将来，会有更为严格的新标准和公约颁布，对压载水处理系统的要求也将越来越严格。

近年来紫外线（UV）技术作为一种高效、安全、经济的水处理技术，已经被广泛应用于跨洋运输船舶压载水处理领域中。因此，本文采用紫外线杀菌技术对压载水进行处理，并对原有处理装置进行优化设计，即在其进、出口增设导流叶片，以此来改善杀菌器内的流场分布和水流运动状态，提高水流受到的紫外辐照平均剂量［2］，并对其进行了仿真模拟。

2 UV处理装置的优化设计方法

紫外线杀菌是通过紫外线的辐照，破坏微生物的DNA结构，使细菌立即死亡或者失去繁殖能力，从而达到杀菌的目的［3］。UV杀菌的实际效果与压载水的浑浊度、色度、微生物的种类及UV装置自身的性能有关，性能主要包括：UV辐照强度、剂量及均匀性，以及压载水在UV杀菌器中的过流时间等。UV杀菌器结构优化的关键点是增加UV对微生物的辐照时间及辐照强度。通常情况下，UV辐照剂量可作为评价UV杀菌装置处理能力的关键指标。紫外线辐射剂量等于紫外线辐射强度与照射时间的乘积［4］，即

式中：I为紫外线辐照强度（mW/cm2）；t为照射时间（s）；D为紫外线辐照剂量（mJ/cm2）。从式中可以看出，辐照剂量由辐照强度和辐照时间两方面共同影响，在辐照强度一定的情况下，辐照时间和辐照剂量呈正相关。UV装置的内部结构影响着辐照时间，而辐照强度则由灯管的有效功率和介质的透光率决定［5］。

孟梦的研究表明当截面积为200mm、叶片数为4片、安装角为25°时，流体在UV杀菌装置中的强紫外辐照区域的停留时间最长［6］。综合上述因素，从辐射剂量的均匀性和过流时间考虑，对UV杀菌装置进行如下优化：在UV装置的进口和出口处加装导流叶片，导流叶片和优化后的UV装置分别如图1和图2所示。采用进口导叶，可以使水流旋转进入紫外线杀菌装置内部，发散均匀，增大圆周切向速度，减小轴向速度，提高水流接受紫外辐照的均匀性，使水流在紫外辐照较强区域的停留时间变长。为了检验优化后的装置性能，运用Fluent进行了数值模拟。

3 UV杀菌装置的数值模拟

3.1 模型的建立

对于压载水UV杀菌装置内部流体的流动仿真，要考虑压载水UV杀菌装置的内部结构形式，建立UV杀菌装置的几何模型，如图3所示。

图1 导流叶片

图2 UV优化后的UV杀菌装置结构

图3 UV杀菌器的几何模型

将UV杀菌装置模型进行网格划分，划分为入流区，辐射区和出流区三个部分［7］。由于压载水UV杀菌装置内部结构较为复杂，计算域网格采用的是非结构四面体网格，在灯管区域进行了局部加密，保证计算精度。

3.2 流场及紫外辐照时间模拟

通过建立UV杀菌装置数值模拟的水动力特性数学物理模型，分析装置内流场的均匀程度，得出UV杀菌装置中的流场分布规律［8］。以质量守恒、动量守恒和能量守恒作为流场的模拟基础，建立连续方程、动量方程和能量方程对流场内的各计算点的位置参数进行求解。本文选用Fluent的k-ε湍流模型，采用三维定常流和Simple算法，对UV腔体内的流场分布进行模拟分析，腔体内壁选用无滑移条件，且有重力作用。

在UV杀菌装置中通入流体A，在稳态模型（steady）下计算收敛之后，加上混合模型（Mixture），并将模型改为非稳态（unsteady），在入口边界条件中加上流体B，分别监测将UV装置腔体入口面与出口面流体B的浓度随时间（flow time）的变化曲线。UV杀菌器腔体入口面上的流量达到稳定时的时间记为始点t1，将腔体出口面上流量达到稳定时的时间记为结束点t2，流体流过UV杀菌器腔体的时间即为t2与t1之差。

3.3 紫外辐射强模拟

通过采用多点源叠加模型（MPSS模型）将UV灯管分割成多个柱状环计算单元［9］，每个微元近似点光源发光，进行近似叠加计算，根据紫外线的反射、折射率和介质吸收对辐照光强分布的影响，得到辐照光强分布计算公式：

式中：P为灯管有效输出功率；L为灯管长；λ为溶液平均透光率；r为灯管半径；x0为灯管轴向起始坐标；x1为灯管轴向终止坐标（x1-x0=L）。

根据以上辐照强度数学计算公式，综合灯管的反射、折射率和介质的吸收等因素，紫外线灯管的辐照强度分布模拟借助Fluent的离散DO模型，使用自定义函数（UDF）计算流场内各网格点中心坐标的辐照强度，灯管参数如表1所示。

表1 紫外线灯管及套管参数

3.4 紫外辐射剂量模拟

UV杀菌的实际效果与微生物受到的有效辐照剂量有着直接的联系，因为微生物体积极小，密度与水相似，可假定其在腔体内的过流特性与水相同。本文运用有限元分析法，将水中的微生物视作离散的粒子，粒子接受到的辐照剂量具有叠加特性。当水流在UV杀菌装置中连续流动且流量稳定时，每个粒子在腔内运动的路径不同，由于杀菌器腔内的UV辐照强度分布不均匀，所以不同粒子受到的辐照剂量也不同。粒子在杀菌器腔体内的轨迹方程如下：

则，粒子在流动过程中受到的紫外照射剂量方程为

式中：I(ui)为在t时刻某点处的辐照强度；T为粒子在杀菌器中的停留时间。

由公式可知，紫外辐照剂量的多少是由UV装置腔体内部每一点的辐照强度和微生物在腔体内停留的时间决定的［10］。在入口面射流源，采用标准湍流模型k-ε与离散相模型（DPM）相结合，考虑湍流对粒子的影响，粒子在时间和空间上的分布由离散模型来模拟，对入射粒子进行分析计算。各粒子所受到的辐射强度和时间通过UDF程序进行回收计算，得出辐照剂量的分布。

4 模拟结果分析

设置两个相互正交的监测面，其中监测面1设为重要监测面，监测面2设为辅助监测面，用以监测UV杀菌装置内部紫外辐照光强及流场分布，如图4所示。

图4 监测面设置图

4.1 流场分布及过流时间分析

如图5所示，监测面1的仿真结果可以看出，经过改进后的UV杀菌装置在腔体进、出口的部分区域出现最大流速，约1.59 m/s，这是因为加装导流叶后使得进出口流通截面减小的缘故，灯管区域内无明显的高流速；监测面1的速度云图显示，改进前、后UV腔体灯管附近的水流速度分别为0.85 m/s和0.64 m/s，同比下降了0.21 m/s。

由图5可以看出，原型UV处理装置除了在灯管周围出现绕流，流线近乎呈直线分布，优化后的腔体内部由于导流叶片对水流产生扰动，使壁面附近水流的流动状体从层流变成湍流，流线呈旋转状态进入处理装置内部，这让原有杀菌装置中沿器壁流动的水流有机会在灯管周围流动，提高了水流被紫外辐照的均匀性。

UV杀菌装置腔体进口、出口截面处的流量达到稳定时的时间差值即为压载水在UV杀菌装置内的流体平均过流时间［11］，即UV辐照时间。图6可以看出，在未加装导流叶时，UV装置进、出口处流量趋于稳定的时间分别为0.72s和1.62s，紫外辐照时间为0.9s；优化后进、出口处流量稳定的时间分别为0.81 s和2.25 s，紫外辐照时间为1.44 s，比优化前增加了0.54 s。

图5 UV杀菌装置内速度流场分布

图6 过流时间曲线

4.2 紫外辐射强度分布

图7为UV杀菌装置不同监测面上的UV辐照强度分布图，从图中可以看出，经过优化后杀菌器内的UV强度与优化前UV强度的分布规律完全相同，这是由于两种结构内灯管的参数以及灯管的排布都相同，辐照强度的最大值为298mW/cm2，最小值约为0.0829mW/cm2。从监测面1上可以看出，UV杀菌装置腔内沿着径向方向，辐照强度分布较为均匀。从监测面2可知，腔室两侧的UV辐照强度较小，通过在UV装置进、出口增加旋向相反的导流叶片，改变了流体的流动状态，使得贴近腔体壁面的粒子能够流经UV辐照高强区域［12］，增加了粒子被紫外辐照的均匀性。

图7 UV装置辐射强度分布图

4.3 紫外辐射剂量

综合考虑到各种微生物所需要的紫外致死剂量和光复活特性，UV杀菌装置中粒子受到的辐照剂量高于200 mJ/cm2时，能达到大多数有害物质的有效致死剂量。USCG在验证UV杀菌设备结构设计的合理性时，着重考察厂商提供的紫外辐照剂量概率分布图。由于水流在腔体内并非静止而是不停流动的，且不同样本的粒子在UV装置腔体内的路径不同，受到的紫外辐照剂量也不同，若需得到紫外辐照剂量的概率分布图，须将腔内各点受到的的辐照剂量进行积分，如图8所示。从图中可知，未优化的UV腔体内的剂量分布高于200mJ/cm2的占比为67.5%，平均紫外剂量为235.4mJ/cm2；优化后的UV腔体内的辐照剂量分布高于200mJ/cm2的占比为88.6%，平均剂量为283.6mJ/cm2。从仿真结果可以看出，经改进后的UV杀菌器处理压载水的性能大大提高，辐照剂量的均值相比前者增加了48.2mJ/cm2。

图8 UV装置辐射剂量的分布图

5 结语

数值模拟的结果表明，在UV装置进出口增加导流叶片后，紫外线杀菌效果和流场分布的均匀性明显改善，达到了理想的杀菌效果。本文通过对UV杀菌装置的结构进行改进，在腔体的进出口安装导流叶片，在灯管总功率没有改变的情况下，使得水流在杀菌装置腔体中的停留时间延长了0.54 s，UV辐照剂量增加了41.9 mJ/cm2，极大地提高了UV杀菌装置的处理效果。

该公约于2004年颁布以来，许多厂商陆续研制了多款压载水处理设备。在不久的将来，随着压载水公约的正式生效和防海生物技术的进步，压载水的检测标准和处理系统的准入门槛将更加严格，在水处理领域有着较大优势的紫外技术也会被越来越多的厂商重视。后续工作可研究压载水水质，如浊度、色度等因素，对UV杀菌效果的影响。另外可考虑加装旋流器过滤和超声波等预处理装置，进一步提升后处理时UV的灭杀效果。