基于CFD UV反应器的优化设计与仿真

周国祥， 肖英杰， 鲁 阳， 王易晨， 陆舒楠

(上海海事大学 a. 商船学院； b. 航运仿真技术教育部工程研究中心， 上海 201306)

2017-04-28

周国祥(1991—)，男，重庆忠县人，硕士，研究方向为载运工具运用工程。E-mail：zhougqmaritime@sina.com

1000-4653(2017)03-0093-05

基于CFDUV反应器的优化设计与仿真

周国祥a,b， 肖英杰a,b， 鲁 阳a,b， 王易晨a,b， 陆舒楠a,b

(上海海事大学 a. 商船学院； b. 航运仿真技术教育部工程研究中心， 上海 201306)

为提高紫外线船舶压载水器的处理效率，在现有紫外线压载水处理技术的基础上，通过优化反应器进出口设计和紫外线灯管的布置方案，使水流在反应器内部的流场得到改善，紫外线辐照强度在反应器截面上的分布更加均匀，进而提高反应器的处理效率。通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真，验证该方案的可行性。结合仿真结果，提出进一步提高紫外线反应器处理效率的建议。

紫外线压载水处理； 计算流体力学； 装置优化； 流场改善

船舶压载水在保证船舶安全航行方面发挥着重要作用。随着船舶的大型化发展，单船压载舱容量及单船压载水排放对港口和沿海水域的影响越来越大。物种转移很可能会造成生物入侵，带来极大的危害。[1]为控制和防止船舶压载水传播有害水生物及病原体，国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)于 2004 年制定了《船舶压载水及沉积物控制和管理国际公约》(以下简称《2004 压载水管理公约》)。该公约对压载水的排放管理及排放标准提出了要求，要求到 2017 年所有船舶都安装压载水处理设备，否则公约生效后不能驶入IMO 成员国港口，违反公约将受到处分。[2]

近年来，世界各国加快了研究各类压载水处理设备的步伐。在以往的紫外线压载水处理器研究中，反应器内部紫外线强度容易受灯管布置的影响，且其设计不具备延展性。对此，在已有研究的基础上提出具备延展性的灯管布置方案，使反应器的处理能力和处理效率不再受灯管排列方式的限制。

1 IMO关于压载水处理设备排放的标准

IMO船舶压载水排放标准见表1。

IMO 有关标准[3]规定试验认证用压载水处理系统的压载水处理量不得低于200 m3/h。

2 紫外线杀菌的理论基础

2.1紫外线杀菌原理

根据相关研究[4-5]，在不同温度下，DNA和RNA吸收紫外线光谱的范围为240～280 nm，其中：波长为253.7 nm的紫外线吸收效果最好；波长为185 nm的紫外线能产生臭氧，臭氧的强氧化性也能起到杀菌消毒的作用。紫外线的杀菌原理与其对核酸、蛋白质及酶的作用有关。当水中的细菌、病毒和藻类等生物受到一定剂量的C波段紫外线照射时，胞体内的DNA和RNA结构遭到破坏，基因的复制、转录和表达受阻，蛋白质和酶合成受阻，从而使病毒的遗传物质失去活性，细菌无法进行二分裂，藻类因无法进行正常的新陈代谢而失去活性，从而达到消毒和净化的目的。根据研究，当海洋生物在紫外线的照射下接受的剂量达到一定值时，微生物不再具有活性。部分微生物在接受紫外线照射之后，在可见光的环境中，在光复活酶的作用下，DNA结构会恢复正常。但是，当其接受的总剂量增加到一定值时，将不再具备光复活性。部分微生物由于缺乏光复活酶，不具备光复活性。在所有微生物中，杀灭蓝藻所需剂量最高，达到300 000 μJ/cm2。

表1 IMO船舶压载水排放标准

2.2紫外线灯管的选择

对比各种紫外线光源可知，低压汞齐灯单根灯管的输出功率约为300 W，辐射出的紫外线功率可达到普通低压汞灯的10倍。汞齐灯独特的镀膜涂层保证其不会发生石英玻璃的透射损失。此外，可在工作16 000 h后依然保持90%以上的紫外线输出功率。因此,在灯的整个使用寿命周期内都会有持续稳定的杀菌效果。汞齐灯对温度波动不敏感，甚至可在 90 ℃的环境温度下使用。[6]由于具有寿命长和功率高的特点，汞齐灯有节约灯管和系统元件使用数量、降低能源消耗和维护时间的巨大潜力，因此可明显地降低消毒系统的运营成本。

该设计选择253.7 nm单波长的低压汞齐灯。为保证反应器的杀菌效果，必须保证压载水在处理过程中接受紫外线达到一定的剂量。

2.3紫外线接受总量计算

在计算压载水接受紫外线的剂量时，将压载水看作是由微小的点元组成的，通过计算点元从进入反应器到流出反应器这段时间内的接受总剂量来确定压载水接受紫外线的剂量，其接受总剂量Dose的计算式为

(1)

式(1)中：Dose为点元接受总剂量，μJ/cm2；I为反应器内某单点紫外线照射强度，μW/cm2；t为照射时间，也是点元在反应器内的停留时间，s。

点元在反应器内的处理时间t可由路径长度和点元速度求得，即

t=L/v

(2)

式(2) 中：L为反应器纵向长度，m；v为点元纵向分速度，m/s。

由式(1)和式(2)可知，反应器设计的关键在于确定辐照总剂量，辐照总剂量的大小与紫外线灯管的有效输出功率、辐照强度和总照射时间有关。灯管的输出功率为定值。因此，反应器设计的关键在于保证合适的辐照强度、确定反应器纵向距离和配置合理的内部流场，从而保证压载水在处理过程中能接受足够的辐照剂量。

紫外线强度计算采用径向辐射模型，将紫外线灯看作是一个能量均匀分布的直线光源，并作以下假设[7]：

1) 紫外线灯辐射能量沿轴向均匀分布。

2) 紫外线垂直于灯管轴线及石英套管外壁，以柱面的形式沿径向向外传播能量。

3) 只考虑水中污染物对紫外线的吸收，不计空气、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

有色溶液对光的吸收程度与溶液的浓度、液层的厚度及入射光的波长有关。当入射光的波长、溶液的浓度及温度一定时，溶液的吸光度与液层的厚度成正比，该关系称为朗伯定律。[8]

由朗伯定律可知，灯管发出的紫外线的能量在从管壁传递到流域中某一点的过程中，除了会被外层石英玻璃管吸收，还会被管外的水层吸收。因此，在计算水层中的紫外强度分布情况时，要综合考虑上述2种衰减。《紫外线消毒设计规范》[9]中规定结晶石英套管在波长为253.7 nm的紫外线透过率≥90%。这里假设石英玻璃管对紫外线的透过率ηQ=85%。假设不计紫外线能量在灯管与石英套管间空气中的衰减，则由朗伯定律可知，距离灯管管壁为d的某点的紫外辐照强度I可表示为

I=I0ηQe-αd

(3)

式(3)中：I为水层厚度为d的点辐照强度，μJ/cm2；I0为石英灯管管壁的紫外线照射强度，μW/cm2；ηQ为石英玻璃管对紫外线的透过率，ηQ=85%；α为水的光吸收系数，取定值-0.232 6 cm-1。

由采用的辐照模型的3个假设可知，每只紫外线灯的辐照能量在以灯管为轴线的圆心柱面上均匀分布，且在同一个柱面上任意点的紫外线辐照强度都是相等的。辐照强度的大小随距离灯管管壁的距离的增大而减小。设紫外线灯的额定输入功率为P，波长为253.7 nm 的紫外线的输出效率为η，灯管的有效长度(弧长)为L，可得到半径为r的柱面上任意一点的初始紫外线强度I0为

(4)

将式(4)代入式(3)得

(5)

2.5紫外线杀菌动力学

紫外线杀菌的实质是光化学反应，符合一级反应动力学模型。根据已有的试验研究结果[10]，一级反应公式对病毒杀灭率的适用性可达99.999%。

3 紫外线压载水处理器反应器的设计

3.1设计要求

船舶在世界各地航行时，会根据自身需求在不同的水域加载压载水，因此其压载水中的细菌、病毒等生物存在一定的广泛性，这对处理程序提出了更高的要求。为能杀灭大部分微生物，要求处理过程中的最低总剂量达到300 000 μJ/cm2。

采用双入口、单出口设计。2个入口设置在反应器底部，与桶壁相切，进水速度沿着相反的方向；出水口设置在反应器顶部，沿反应器中心线向上。用SolidWorks进行三维建模，得到反应器三维立体图见图1。

图1 反应器三维立体图

3.2灯管布置

反应器截面布置图见图2，其中小圆为石英玻璃管。每3个石英玻璃管的中心点组成1个等边三角形，每7块石英玻璃组成1个正六边形，形状类似于蜂窝，故命名为蜂窝排列。[11-14]

图2 反应器截面布置图

蜂窝排列的创新点：

1) 截面照射强度分布均匀，无照射盲区。截面可看作是由若干个等边三角形组成的，最外层等边三角形的强度分布相同;内部所有三角形的强度分布均相同，且略大于外层等边三角形的强度。

2) 处理能力具备拓展性。良好的截面拓展性使得反应器的处理能力具备拓展性，这亦使得设计大流量反应器不再受灯管布置导致截面强度分布不均的限制，仅与灯管管壁之间的间距和反应器的高度有关。

3.3灯管布置

截面内任意一点的照射强度是截面所有灯管在该点的照射强度的叠加。有研究表明，当水层厚度达到10 cm时，紫外线穿透率仅为10%。因此,选择灯管间距的临界值为10 cm。

为便于计算，对计算区域进行分区和标记(见图3)。数字代表区域，字母代表灯管。将图3中B,E,I,F所围区域作为截面辐照强度计算单元。忽略相隔较远的灯管对各区域的贡献，将区域1接受的辐照强度简化为灯管A，B，D，E，F在区域1的叠加，区域2所接受的辐照强度简化为灯管A，B，C，E，F在区域2的叠加。由于外层三角形的剂量分布强度略低于内部三角形，因此若区域1的辐照强度满足设计要求，则整体设计方案在截面上的辐照强度满足设计要求。

等边三角形的边长为L，以灯管D的中心点为原点建立直角坐标系。设点Q为区域1中的任意一点，则Q点与各灯管之间的距离分别为

(6)

(7)

图3 计算区域标记图

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

各灯管在Q点的剂量为

(14)

代入计算点与计算域各灯管之间的距离得Q点的辐照强度为

(15)

由式(15)可知，Q点的辐照强度是关于等边三角形边长的函数，当水层厚度达到10 cm时，紫外线穿透率仅为10%。在设计中，选择灯管中心距离为11 cm，即每相邻2根灯管管壁之间的距离为5 cm。

利用MATLAB对紫外线辐照强度进行计算，结果见图4和图5。

由图4可知，在菱形显示区域内，其紫外线强度所在区间为150 000～160 000 μW/cm2，平均辐照强度约为155 000 μW/cm2，不存在大的跳跃，紫外线强度分布均匀。整个反应器截面由多个相同的三角形区域组成，因此整个反应器截面的辐照强度分布均匀。在以往的设计方案中，有的采用同心圆的布置方案，有的采用环形灯管围绕在处理水流外侧的布置方案，有的通过计算采用不规则排列的布置方案。对于这些布置方案，紫外线在横截面的辐照强度都存在辐照暗点，导致截面辐照强度存在大的跳跃，从而导致辐照强度分布不均匀，灯管的截面布置方式不具备可延伸性。与以往的设计方案相比，该方案在截面辐照强度分布方面有了很大改善。

图4 计算域辐照强度分布图

图5 计算域强度数值分布

考虑边缘三角形的强度分布，在计算域内(如图5所示)，大部分区域的辐照强度分布在148 000～168 000 μW/cm2，最小辐照强度约为137 500 μW/cm2，平均辐照强度约为150 900 μW/cm2，其分布满足高斯分布。辐照强度远大于设计平均辐照强度100 000 μW/cm2，能满足设计要求。

3.4反应器内部流畅模拟

将模型导入到Gambit内进行边界定义及面网格和体网格划分，将反应器模型划分为入流区、壁面区和出流区等3部分进行网格划分。将划分好的网格文件导入到Fluent中进行流场模拟。流场的模拟以质量守恒、动量守恒和能量守恒为基础，建立连续方程、动量方程和能量方程对流场内各计算点的位置参数进行求解。利用 Fluent 软件中的离散相[15]湍流模型对装置内的流场进行数值模拟分析，设置进口速度为2.5 m/s。

图6为反应器速度云图，图7为质量停留时图，图8为速度分布，图9为Z轴方向速度分布。由图6可知:在整个反应器内部，速度分布比较均匀，速度较大的位置位于进口及出口与反应器顶部连接位置；反应器内的最大流速约为3.8 m/s，出现在出口与反应器连接处。由图8可知：最大速度所占比例非常小，不到1%，不会影响反应器的整体处理效果；无明显的高流速区域，最小流速为0.000 1 m/s，主要位于反应器顶部流场静区；在反应器内部，速度0.0～0.5 m/s所占比例最大(主要分布在反应器中上部)，其次为0.5～1.0 m/s(主要分布在反应器入口附近)。由图9可知：沿Z轴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分布在反应器中上部，速度分布均匀，不存在较大的速度跨越。整体分布比较均匀，这样的速度分布有利于改善反应器的处理效果。结合图4和图7可知：反应器截面平均辐照强度约为155 000 μW/cm2，反应器平均处理时间约为3.97 s，当压载水流经反应器时，所接受的紫外线剂量约为615 350 μJ/cm2，能杀死对紫外线剂量要求较高的蓝藻属生物。

图6 反应器速度云图图7 质点停留时图

图8 速度分布图9 Z轴方向速度分布

4 结束语

将紫外线消毒技术应用到压载水处理领域中，通过对紫外线压载水处理器的灯管布置进行优化，并用MATLAB对反应器截面的紫外线强度进行计算分析，用Fluent软件对反应器内部的流场和辐照剂量进行仿真分析。

1) MATLAB计算结果表明：蜂窝排列的截面强度分布均匀，不存在辐照死角，其最小光照强度和平均辐照强度均比以往的设计方案高。

2) Fluent的模拟结果表明：反应器内部流场分布均匀，在处理过程中，压载水接受的辐射总剂量能满足杀菌要求。仿真结果表明：反应器顶部存在流场静区，在反应器的结构上存在继续优化的空间。反应器顶部可设计为弧形曲面，以消除流场静区。若在反应器内壁增设螺旋曲线，不仅可改善内部流场，还可将螺旋线作为流体导轨，从而使水流在反应器内形成螺旋上升的流场；水流在流经反应器内部时，所流经的路径得以延长，从而延长接受紫外线照射的时间，使接受的总剂量增加，提高反应器的处理效率。由于当前三维建模技术存在一定的局限性，因此在模型内部添加螺旋导轨的设想无法实现，通过仿真的方式验证模型的有效性存在一定的困难。

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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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