压载水处理UV模块的CFD数值模拟及实验研究

陈 宁，焦 晨，陈 刚

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)

(2.江苏科技大学计算机科学与工程学院，江苏镇江212003)

随着经济全球化，航运业对全球经济发展的巨大推动作用被广泛认同.但船舶压载水“生物污染”问题日渐显现，以及《国际船舶压载水和沉积物控制管理公约》(以下简称《压载水公约》)的提出［1］，各国都在努力应对，寻找解决方案.文中所介绍的紫外线(UV)杀菌法对于压载水中的微生物及病菌去除具有良好的效果，更因其具有设备占据空间小、经济、高效，特别是处理中不会生成有毒副产物等优点［2］，受到了设备开发商和船东的青睐.为了使设备的效能符合《压载水公约》标准的要求，开发商对其设计的效能极为重视.UV杀菌器的流场特性将直接影响到腔体内的紫外线辐射剂量分布情况以及对压载水的处理效能.因此，如何预测压载水所受的辐射剂量和微生物的灭活程度将是对设计UV杀菌器质量优劣评估的关键技术.

压载水系统的杀菌效果，即UV杀菌器优化设计方法有试验模拟和数值优化模拟两种.试验模拟即压载水系统进行分析，通过不断地改进腔体结构形式来验证杀菌效果是否达到优化目的，因此，需要进行大量的物理实验和生物检测工作，并且时间和金钱上花费较多.

文中将CFD 数值模拟应用于压载水系统中的UV杀菌器杀菌效能的优化设计，通过Fluent软件对特定的UV杀菌器进行流场分析、紫外辐射强度分布分析、微生物停留时长和运动轨迹模拟分析等，为计算UV杀菌器中生物所受紫外光的辐射剂量奠定了坚实基础.

1 UV杀菌器CFD模拟

CFD技术用于UV杀菌器的数值模拟可分为3个主要步骤:①水力模拟，即选择适当的计算流体动力学模型和参数，对模型内部流体区域进行适当的网格单元划分，按照单相均质流体来分析内部的流场，获得流线、速度场、压力场等信息;②光强分布模拟，即根据光强分布理论，计算每个单元体所受到的辐射强度;③有效剂量计算，即基于CFD模型对水力模拟模型与光强分布模拟模型进行耦合［3］.

2 UV杀菌器数值模拟的关键因素

2.1 流场模拟

商用CFD软件的基本功能之一是分析单相均质流体内部的流场，通过建立UV杀菌器数值模拟的水动力特性数学物理模型，分析UV杀菌器内流场的均匀程度，得出流体在UV杀菌器中均匀分布所存在的缺陷.

该方法不仅可以得到流场模型，还可以利用微分方程来求解离散相粒子所受的作用力和运动轨迹.粒子受力微分方程的形式为:

式中:u，up为粒子所在位置与粒子连续相的速度; ρ，ρp为流体、粒子密度;FD(ui－up，i)为粒子单位质量曳力;Fi为其它作用力.

当计算粒子运动轨迹时，粒子主要受流体曳力、重力以及流场中的其他作用力.但其他作用力与曳力及重力相比，在量级上非常小，因此为使文中模型简化，可将其他作用力忽略不计.所以，计算时主要考虑曳力，其次是重力.文中采用DPM模型(Fluent的多相流模型)模拟UV杀菌器中微生物的随机运动情况，得出微生物在UV杀菌器中过流时间内的轨迹信息.

2.2 光强模拟

通过对UV杀菌器内光强的模拟，得出紫外光强在UV杀菌器内的分布情况，以及UV杀菌器内介质对紫外光的吸收、石英套管对光强的透射率、石英套管间对光强的反射、折射等因素对光强分布的影响.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，对这些计算单元进行近似叠加计算，其光强分布计算如式(2)所示［4］.

式中:P为UV灯管功率(W/h);x0为UV灯管轴向起点坐标;x1为UV灯管轴向终点坐标;λ为介质平均透光率;θ为折射角;r为灯管半径;l为灯管长度.

利用Fluent软件的DO(discrete ordinate)辐射模型，通过数值模拟，可直观地得出UV杀菌器内光强的分布.

2.3 当量剂量计算

紫外线杀菌的效果与紫外线剂量(UV dose)的大小直接相关.虽然微生物对于紫外线具有累积性，但是，在连续流UV杀菌器中，由于微生物随水流运动，UV杀菌器中光强分布不均匀，且每个微生物运动的路径以及在UV杀菌器内的停留时间不同，所接受的剂量也不同，因此，从严格的数学意义上来说，必须通过式(3)的积分才能准确求得辐射剂量［5］.

式中:i(x，y，z，t)为在t时刻时某特定点(x，y，z)处的辐射光强度;T为微生物在消毒器内的总停留时间.

从上式可以看出，紫外辐射剂量的大小是由UV杀菌器内部任一点的辐射强度和压载水在UV杀菌器内停留的时间决定的，由于i(x，y，z，t)，T又与UV杀菌器内部紫外灯管的结构位置、粒子浓度、粒子大小分布、压载水浑浊程度、处理压载水量等多种因素直接相关，无法分析求解，只能借助数值计算手段，通过DPM来模拟微生物在空间和时间上的位置，而要获得微生物沿其运动轨迹所受的各个方向上紫外线辐射的累积剂量，就必须通过积分方程，即每一时间步长内受到的平均辐射强度对微生物在UV杀菌器内停留时间的积分.可以基于Fluent平台，编写用户自定义函数(UDF)，将光强分布导入UV杀菌器模型中，以计算得出各粒子所在位置点的光强I(x，y，z).根据给定的计算步长，通过计算大量粒子的运动轨迹后即可生成剂量分布图.

3 UV杀菌器内部流场的模拟

数值模拟对象为自行设计的UV杀菌器，该杀菌器为封闭管式，内有18根额定功率为3000W以上的中压高强紫外灯管，紫外灯管外部有起保护作用的天然石英套管，其结构如图1.紫外灯管发出的紫外线能量在到达水中微生物个体的过程中除了被外层天然石英玻璃管吸收，还会被天然石英玻璃管外的水层吸收，故在计算水层中的紫外强度分布情况时要综合考虑上述两种衰减［6］.假设不计紫外线能量在灯管与天然石英套管间空气中的衰减，那么根据朗伯定律可知，距离灯管水层厚度为dw的某点的紫外辐照强度I可表示为:

式中:I0为初始辐照强度，即石英套管表面的紫外线强度(W/cm2);αw为水对光的吸收系数(cm1)，αw=0.2326 cm－1;dw为水层厚度(cm);ηq为石英套管对紫外光的透过率，根据国家标准取ηq=0.9.

3.1 建立模型

运用Gambit软件建立紫外灯杀菌器的三维实体模型:X轴正向为来流方向，紫外灯的轴向垂直于Y轴而与Z轴平行.在图1中，整个杀菌器分为入流区，辐射区和出流区三部分:

图1 UV的几何结构示意Fig.1 Schematic illustration of the geometrical structure of UV

图2为杀菌器内部的速度场分布云图，图2中整个流场内，入流区与出流区分别为渐扩和渐缩的设计，所以入口出口速度很快，靠近入口上下紫外灯之间的区域是高速流动区域，流体经过圆柱型紫外灯后出现明显的低速区.但在辐射区流体的整体流速较为均匀，使得压载水的停滞时间也较为平均，有利于辐射剂量的提高.图3为UV杀菌器内部总压力大小的分布云图，可以明显看出，在辐射区中，在紫外灯管阻挡的空隙前压力较大，而整体的压力趋势在入流区逐渐增大，在入流区与辐射区交汇处达到最大，然后逐渐下降，趋于平衡.

图2 UV内部流体的速度场分布云图Fig.2 Contours of velocity magnitude w ithin UV

图3 UV内部流体的总压分布云图Fig.3 Contours of total pressure w ithin UV

3.2 辐射强度

实验所用紫外灯管功率大于3000W，而该灯管在UVC波段功率为370W左右.由式(4)计算，石英套管表面紫外辐照发射强度为10 428.64W/m2，其它边界设为非透明体，同时设置一个波长在200～280nm的紫外光辐射波带，UV杀菌器内壁发散率设为0.8.迭代计算后得到紫外光灯周围辐射强度最高，并呈云状向外扩散.由于灯管发出的紫外光线在辐射过程中，其周围的水和天然石英套会吸收和散射紫外光，因此，流体介质中的粒子离紫外灯管越远，则其所接受的辐射强度就越低，如图4.由于紫外灯之间辐射的相互叠加作用，整个消毒器内最大辐射强度可达18713W/m2.

图4 灯管发出紫外光线辐射与位置的关系Fig.4 Bulbs em it ultraviolet light radiation to the position

3.3 UV杀菌器内部微生物运动轨迹和停留时间

对UV杀菌器采用入口面射流源，考虑到湍流对粒子的影响，采用随机步长模型，计算1 480个入射粒子的运动轨迹.模拟图(图5)为入射面上同一点发出的粒子组轨迹，迭代后结果显示:粒子的最短过流时间为0.51 s，最长过流时间为3.34 s，平均过流时间为0.77 s.考虑压载水在入流区，出流区的时间是不能计算停滞时间内的.因此，绝大部分粒子在辐射区的停留时间在0.5～0.7 s的区间里.

图5 入射面上同一点发出的粒子组轨迹Fig.5 Incom ing group from the same point on the surface of the particle trajectory

4 藻类灭活模拟实验

在压载水中，通常有细菌、病毒、藻类、孢子等生物需要处理.藻类在其中具有代表性，所以选藻类作为实验对象.通过这个实验，可以检测所设计的仪器的杀菌性能是否满足IMO的标准.

4.1 实验材料和仪器

实验用水取自上海海洋大学压载水环评试验水池用水.实验装置根据设计的结构参数，自行设计(图1).

实验藻种:考虑《Guidelines for Approval of BallastWater Management Systems(G8)》中第D2规定的要求，选择尺寸小于50μm但大于或等于10μm的藻种，而且主要选择对紫外线抗性高的藻类，根据这些要求选择了鱼腥藻，新月菱形藻.

藻类密度:1×104cell/ml.根据《Guidelines for Approval of Ballast Water Management Systems(G8)》中的有关规定，微生物大小在50μm与10μm之间的生物密度最好在104cell/ml，但不得小于104cell/ml.

藻类在使用前进行分离纯化，培养装置在1mol/L的盐酸中浸泡数小时，蒸馏水冲洗干净后待用，再进行高温杀菌后，按体积比1∶2对藻液进行接种，放入光照箱进行培养，培养条件:23±1℃，光照强度4800Lux，PH=7.2.把两种藻类各培养到浓度104cell/ml，然后加入到清洗干净的20 t原水储存桶中，并加入清水稀释培养液.

4.2 实验方法

本实验系统处理压载水量为300m3/h，根据上文的仿真分析得出水流经UV杀菌器的平均时间为0.4 s.单用紫外线辐射，对藻类的效果不是很好，因为压载水的浑浊程度，一些杂质都会影响紫外线的灭活效果.所以，分别采用经过水力旋流器过滤后的压载水和未经过过滤的压载水进行试验［7］.实验表明，采用过滤后的实验用水，压载水受到的紫外线照射强度比较均匀，灭活效果也比较好.

藻类的灭杀效果通过在显微镜下用血球计数板直接计数求出，藻类的物理伤害可利用显微镜直接观察.

4.3 实验结果和分析

对紫外线照射藻类灭活实验取样，并用血球计数板进行计数［8］.紫外线在水力旋流器的过滤作用配合下，灭活效果显著提升，实验结果见表1.

表1 实验结果Table1 Experiment result

将实验结果与IMO标准进行比较:

对比两组实验表明:有过滤作为前处理的灭活试验，其实验结果已基本满足IMO标准.由此表明，对UV的CFD模拟是有效的，有利于减少多余实验，直接获得理想的UV结构模型.

但是，观察其趋势，若生物密度继续增大，其杀灭效率会减小.而没有过滤的紫外线杀灭藻类试验，其杀灭效率也不能达到所预期的效果.所以，文中设计的UV模型还有很大的改进空间.

5 结论

文中UV杀菌器已达到设计要求，但从研究结果可以看出，在同等实验条件下，配合过滤，可以使紫外线杀灭效果大大提升，但随着浓度增大，紫外线的杀灭效果有下降趋势.所以，在满足D2规范的前提下，可以尝试加入超声波处理等物理手段，增强杀灭效果［9］，或者增加压载水在UV杀菌器中的过流时间，以取得更好的杀灭效果.

references)

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