UVC-LED动态水处理杀菌装置流阻损失仿真数值的影响研究

慕永刚

（杰生半导体有限公司 马鞍山 243000）

引言

近些年，人们对饮用水的关注程度不断增加，而对水源的杀菌则是改善水质的重要步骤，这使得加装UVC-LED的杀菌装置广泛的应用在了家电净水领域。UVC-LED杀菌装置不仅绿色环保、能够最大限度的杀灭水中的细菌和病毒，保证饮用水的安全无菌，而且装置体积小、使用寿命长，具有高可靠性与优异的模块化适配性。

由于水流介质速度快，同时净饮水设备内部流道复杂，如何解决水流短时间内的杀菌效果成为目前有待解决的重要技术课题。本研究从家电净饮水设备系统出发，通过在水处理环节中引入新的功能模块——UVC杀菌装置，研究不同结构方案下的杀菌装置内部流动特性规律，探索深紫外杀菌技术在净饮水机中的优化解决方案，以期开发出杀菌性能更强劲、更符合用户需求的净水产品。

1 几何模型及划分

1.1 产品结构如图1、2

图1 实物外观

图2 模型结构

UVC杀菌装置，其具有进水口和出水口，杀菌装置的内部设有杀菌腔，杀菌腔的底部安装有UVC-LED光源，光源与杀菌腔围成过水通道，光源发出的深紫外线射入杀菌腔，对流经杀菌腔的水流进行灭菌消毒。

1.2 边界设定

边界条件的设定直接影响仿真结果的准确性，杀菌装置流道中的流体介质选择为25 ℃时液态水，密度和动力粘度分别为1×10³ kg/m³，1.01×10-3Pa/s，压力和速度场耦合算法为Coupled，动量、湍动能、湍流耗散率和能量空间离散算法为二阶迎风格式。装置进口为Mass Flow Rate 0.001 kg/s、装置出口为压力出口边界，出口压力为0，所有壁面采用无滑移壁面。（流体流动控制方程分别为连续性方程、动量方程和能量方程，相关内容可参考流体力学书籍，本文不做具体展开。）

1.3 网格划分

如图3所示，根据产品结构特点，忽略对水流流动影响较小的区域，抽取内部流道进行仿真分析，杀菌装置的流道结构近似T 型。网格划分如图4所示，内流场体网格数量为322 019，节点数为129 537，网格质量（Skewness）平均值为0.65。

图3 产品内部流道

图4 有限元网格划分

需要说明的是，所建立的流道仅为产品内部流体域模型，外部的筒体、端盖等并未考虑在内。网格的质量对模型求解的准确性和收敛性有重要的影响[1]，利用Meshing模块进行网格划分，由于非结构化网格对复杂的结构处理结果更为准确，因此选用非结构化网格对产品内部流道进行网格划分。因为整流区分水孔区域速度场变化复杂，为保证计算精度和结果收敛，有必要设置边界层，进行局部网格加密，边界层数为5。进行网格无关性分析，最大出口流量误差为1 %以内。

1.4 湍流模型选择

合适的湍流模型对于准确地预测流道内部水流的流动至关重要，为了减少CFD仿真误差对杀菌装置进出口压损精度的影响，因此选取了Realizable k-ε、RNG k-ε、k-w和SST k-w 四种湍流模型来仿真流道中稳态和时均的流动特点以及对流道压损差异的影响，不同湍流模型仿真计算压损数值如表1所示。

表1 不同湍流模型的压损

通过与计算均值对比，结果表明，四种湍流模型的压损仿真值差异在5 Pa以内，压损除湍流模型外，其余三个模型均与参考均值误差相对较大，k-w 和SST k-w与参考值的误差均在7.2 %附近，处于同一水平。SST k-w模型中风道压损的仿真值为28.33 Pa，偏小；RNG k-ε模型中风道的仿真值为33.28 Pa，偏大，与参考值的误差分别为7.3 % 和8.8 % ；

RNG k-ε模型对湍动黏度进行了修正，考虑了平均流动中的旋流流动情况[2]，比采用标准k-ε模型模拟内部的流动情况更加可靠，可更好地处理高应变率及流线弯曲较大的流动。该模型不仅适用于雷诺数高的情况，也适用于雷诺数低的情况。因此，在后续装置结构参数化仿真计算中选用RNG k-ε湍流模型与近壁面函数处理法相结合进行数值模拟。

2 仿真模拟

为充分研究不同参数对杀菌装置内部流动特性的影响，以进出水孔内径、分水孔内径和分水孔数量为变量，选取了4 个维度多组工况进行参数化仿真。

2.1 进出水孔内径对流场的影响

通过以上参数化仿真计算，由图5、6结果表明，当出水孔内径（P3）固定不变，进水孔内径（P2）数值大小与压损成线性关系，随着P2的增加，装置内部压损有明显的减小趋势，当P2由1.8继续增加，压损（P4）曲线数值下降幅度不明显，趋于平稳，说明继续增加进水孔内径大小对减小杀菌装置流道压损帮助不大；当进水孔内径（P2）固定不变时，出水孔内径（P3）也呈现以上相同的变化趋势；因此得出结论，对于3分口杀菌装置，内孔径为1.8时有利于液体流动。

图5 进水孔内径对压力损失影响趋势

图6 出水孔内径对压力损失影响趋势

2.2 响应面分析（图7）及参数敏感度（图8）

图7 响应面分析

图8 P2、P3参数敏感度

通过图7响应面反映的是进出口压差（P4）与进水孔内径（P2）和出水孔内径（P3）关系，结果表明要实现UVC杀菌装置流道流阻最小，P2、P3在满足结构强度和生产装配的前提下应尽可能取最大值。同时，从图8参数敏感度可以看出，P3对压损（P4）的影响权重占比高于P2带来的影响。

2.3 整流区分水孔内径对流场的影响

当选取进出水孔内径数值为2，分水孔数量为6，对分水孔内径进行参数化优化计算，由图9、10结果表明，当进出水孔内径固定不变，分水孔内径取数值1.45时，杀菌装置内流道沿程压损最小，为设计最优解；

图9 分水孔内径对压力损失影响趋势

图10 分水孔内径参数化DOE极值

2.4 整流区分水孔数量对流场的影响

分水孔数量的不同对杀菌装置内部的流动特性有很大的影响，因此选择一个合适的分水孔数量很重要。在原产品方案6个分水孔的基础上（进出水孔内径取2）进行结构优化，调整分水孔的数量，选取数量为8和10（取偶数便于加工工艺）。通过速度、压力、迹线云图对比可以清晰地观察到，随着分水孔数量的增加，速度压力云图突变区减少，流体域整体均匀性提高，经过计算，两个优化后方案压损分别为17.9 Pa和17.6 Pa，比原设计方案压损大幅降低。

原设计方案与优化后方案流场对比见图11～14。

图11 速度云图

图13 速度矢量图

图14 速度迹线图

通过以上可以看出，两个优化后方案通过分别增加分水孔数量为8和10，均带来了较好的内部流场均匀性，流场压力云图及速度矢量图都有明显较好的均匀性提升。在进口流量相同的情况下，良好的流场分布对提高杀菌装置的水处理能力及杀菌率具有更大的益处。

总体来看，在进出水孔内径及分水孔内径最优参数组合情况下，通过增加分水孔数量对UVC杀菌装置整个流场流量均匀性带来了较大幅度提升。

3 实验验证

选择5 L/min、6 L/min、7 L/min三个不同流速条件，分别进行杀菌率实验，记录不同流速条件下经过杀菌装置后的取样水中大肠杆菌菌落的数量，评估经过结构优化调整后的UVC杀菌装置的杀菌性能。

通过实验验证，5 L/min、6 L/min、7 L/min三个流量对应下的培养皿中均无菌斑形成，表明经过杀菌装置后的取样水中大肠杆菌已经被完全灭活。因此，结构优化后的UVC装置，最高杀菌处理流量达到7 L/min，相比原方案产品5 L/min的水质杀菌处理性能提升15 %。

4 结论

1） CFD数值仿真结果与杀菌率实验验证结果趋势相吻合，说明利用CFD对UVC杀菌装置的内部流场特性进行优化以提高产品杀菌率性能是可行的；

2）通过多工况参数化仿真计算、响应面分析和参数敏感度影响结果可看出，不同进出水孔及分水孔内径、整流区分水孔数量均会不同程度影响到装置内部流道沿程压损。同时，出水孔及分水孔内径敏感度远高于进水孔内径对压损的影响。通过以上流动特性规律，给出提高内部流场稳定性和降低压力损失的优化方向和参考依据，对后续UVC杀菌产品的设计开发具有重要指导意义；

3）由于出水孔（P3）对压损（P4）的影响权重远高于进水孔（P2）带来的影响，因此，产品正装和反装会对杀菌装置内部水流产生不同的压降影响，进而影响用户端取水流量；

4）根据不同湍流模型下流阻数值分析得出，RNG k-ε湍流模型在分析弯曲程度较大、转弯处较多的复杂流场方面相比于其它模型，有着十分准确的计算精度，仿真结果数值与参考均值比较误差更小，要明显优于k-w、SST k-w 和 Realizable k-ε三个湍流模型。