基于Fluent的壓載水UV殺菌裝置的優化及仿真?

劉 暢 傅祥棣 李俊霞 陳 寧

1 引言

為了有效治理船舶壓載水給海洋環境帶來的危害，國際海事組織于2004年制定了具有國際法律約束力的強制性公約《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》［1］，該公約已于2017年9月正式生效，研發達標的船舶壓載水處理系統已成為公約如期執行的關鍵。為了更好地保護海洋環境，部分國家制定了比IMO的標準更加嚴格的船舶壓載水的排放和置換法規，例如美國制定的USCG標準。可以預見在不久的將來，會有更為嚴格的新標準和公約頒布，對壓載水處理系統的要求也將越來越嚴格。

近年來紫外線（UV）技術作為一種高效、安全、經濟的水處理技術，已經被廣泛應用于跨洋運輸船舶壓載水處理領域中。因此，本文采用紫外線殺菌技術對壓載水進行處理，并對原有處理裝置進行優化設計，即在其進、出口增設導流葉片，以此來改善殺菌器內的流場分布和水流運動狀態，提高水流受到的紫外輻照平均劑量［2］，并對其進行了仿真模擬。

2 UV處理裝置的優化設計方法

紫外線殺菌是通過紫外線的輻照，破壞微生物的DNA結構，使細菌立即死亡或者失去繁殖能力，從而達到殺菌的目的［3］。UV殺菌的實際效果與壓載水的渾濁度、色度、微生物的種類及UV裝置自身的性能有關，性能主要包括：UV輻照強度、劑量及均勻性，以及壓載水在UV殺菌器中的過流時間等。UV殺菌器結構優化的關鍵點是增加UV對微生物的輻照時間及輻照強度。通常情況下，UV輻照劑量可作為評價UV殺菌裝置處理能力的關鍵指標。紫外線輻射劑量等于紫外線輻射強度與照射時間的乘積［4］，即

式中：I為紫外線輻照強度（mW/cm2）；t為照射時間（s）；D為紫外線輻照劑量（mJ/cm2）。從式中可以看出，輻照劑量由輻照強度和輻照時間兩方面共同影響，在輻照強度一定的情況下，輻照時間和輻照劑量呈正相關。UV裝置的內部結構影響著輻照時間，而輻照強度則由燈管的有效功率和介質的透光率決定［5］。

孟夢的研究表明當截面積為200mm、葉片數為4片、安裝角為25°時，流體在UV殺菌裝置中的強紫外輻照區域的停留時間最長［6］。綜合上述因素，從輻射劑量的均勻性和過流時間考慮，對UV殺菌裝置進行如下優化：在UV裝置的進口和出口處加裝導流葉片，導流葉片和優化后的UV裝置分別如圖1和圖2所示。采用進口導葉，可以使水流旋轉進入紫外線殺菌裝置內部，發散均勻，增大圓周切向速度，減小軸向速度，提高水流接受紫外輻照的均勻性，使水流在紫外輻照較強區域的停留時間變長。為了檢驗優化后的裝置性能，運用Fluent進行了數值模擬。

3 UV殺菌裝置的數值模擬

3.1 模型的建立

對于壓載水UV殺菌裝置內部流體的流動仿真，要考慮壓載水UV殺菌裝置的內部結構形式，建立UV殺菌裝置的幾何模型，如圖3所示。

圖1 導流葉片

圖2 UV優化后的UV殺菌裝置結構

圖3 UV殺菌器的幾何模型

將UV殺菌裝置模型進行網格劃分，劃分為入流區，輻射區和出流區三個部分［7］。由于壓載水UV殺菌裝置內部結構較為復雜，計算域網格采用的是非結構四面體網格，在燈管區域進行了局部加密，保證計算精度。

3.2 流場及紫外輻照時間模擬

通過建立UV殺菌裝置數值模擬的水動力特性數學物理模型，分析裝置內流場的均勻程度，得出UV殺菌裝置中的流場分布規律［8］。以質量守恒、動量守恒和能量守恒作為流場的模擬基礎，建立連續方程、動量方程和能量方程對流場內的各計算點的位置參數進行求解。本文選用Fluent的k-ε湍流模型，采用三維定常流和Simple算法，對UV腔體內的流場分布進行模擬分析，腔體內壁選用無滑移條件，且有重力作用。

在UV殺菌裝置中通入流體A，在穩態模型（steady）下計算收斂之后，加上混合模型（Mixture），并將模型改為非穩態（unsteady），在入口邊界條件中加上流體B，分別監測將UV裝置腔體入口面與出口面流體B的濃度隨時間（flow time）的變化曲線。UV殺菌器腔體入口面上的流量達到穩定時的時間記為始點t1，將腔體出口面上流量達到穩定時的時間記為結束點t2，流體流過UV殺菌器腔體的時間即為t2與t1之差。

3.3 紫外輻射強模擬

通過采用多點源疊加模型（MPSS模型）將UV燈管分割成多個柱狀環計算單元［9］，每個微元近似點光源發光，進行近似疊加計算，根據紫外線的反射、折射率和介質吸收對輻照光強分布的影響，得到輻照光強分布計算公式：

式中：P為燈管有效輸出功率；L為燈管長；λ為溶液平均透光率；r為燈管半徑；x0為燈管軸向起始坐標；x1為燈管軸向終止坐標（x1-x0=L）。

根據以上輻照強度數學計算公式，綜合燈管的反射、折射率和介質的吸收等因素，紫外線燈管的輻照強度分布模擬借助Fluent的離散DO模型，使用自定義函數（UDF）計算流場內各網格點中心坐標的輻照強度，燈管參數如表1所示。

表1 紫外線燈管及套管參數

3.4 紫外輻射劑量模擬

UV殺菌的實際效果與微生物受到的有效輻照劑量有著直接的聯系，因為微生物體積極小，密度與水相似，可假定其在腔體內的過流特性與水相同。本文運用有限元分析法，將水中的微生物視作離散的粒子，粒子接受到的輻照劑量具有疊加特性。當水流在UV殺菌裝置中連續流動且流量穩定時，每個粒子在腔內運動的路徑不同，由于殺菌器腔內的UV輻照強度分布不均勻，所以不同粒子受到的輻照劑量也不同。粒子在殺菌器腔體內的軌跡方程如下：

則，粒子在流動過程中受到的紫外照射劑量方程為

式中：I(ui)為在t時刻某點處的輻照強度；T為粒子在殺菌器中的停留時間。

由公式可知，紫外輻照劑量的多少是由UV裝置腔體內部每一點的輻照強度和微生物在腔體內停留的時間決定的［10］。在入口面射流源，采用標準湍流模型k-ε與離散相模型（DPM）相結合，考慮湍流對粒子的影響，粒子在時間和空間上的分布由離散模型來模擬，對入射粒子進行分析計算。各粒子所受到的輻射強度和時間通過UDF程序進行回收計算，得出輻照劑量的分布。

4 模擬結果分析

設置兩個相互正交的監測面，其中監測面1設為重要監測面，監測面2設為輔助監測面，用以監測UV殺菌裝置內部紫外輻照光強及流場分布，如圖4所示。

圖4 監測面設置圖

4.1 流場分布及過流時間分析

如圖5所示，監測面1的仿真結果可以看出，經過改進后的UV殺菌裝置在腔體進、出口的部分區域出現最大流速，約1.59 m/s，這是因為加裝導流葉后使得進出口流通截面減小的緣故，燈管區域內無明顯的高流速；監測面1的速度云圖顯示，改進前、后UV腔體燈管附近的水流速度分別為0.85 m/s和0.64 m/s，同比下降了0.21 m/s。

由圖5可以看出，原型UV處理裝置除了在燈管周圍出現繞流，流線近乎呈直線分布，優化后的腔體內部由于導流葉片對水流產生擾動，使壁面附近水流的流動狀體從層流變成湍流，流線呈旋轉狀態進入處理裝置內部，這讓原有殺菌裝置中沿器壁流動的水流有機會在燈管周圍流動，提高了水流被紫外輻照的均勻性。

UV殺菌裝置腔體進口、出口截面處的流量達到穩定時的時間差值即為壓載水在UV殺菌裝置內的流體平均過流時間［11］，即UV輻照時間。圖6可以看出，在未加裝導流葉時，UV裝置進、出口處流量趨于穩定的時間分別為0.72s和1.62s，紫外輻照時間為0.9s；優化后進、出口處流量穩定的時間分別為0.81 s和2.25 s，紫外輻照時間為1.44 s，比優化前增加了0.54 s。

圖5 UV殺菌裝置內速度流場分布

圖6 過流時間曲線

4.2 紫外輻射強度分布

圖7為UV殺菌裝置不同監測面上的UV輻照強度分布圖，從圖中可以看出，經過優化后殺菌器內的UV強度與優化前UV強度的分布規律完全相同，這是由于兩種結構內燈管的參數以及燈管的排布都相同，輻照強度的最大值為298mW/cm2，最小值約為0.0829mW/cm2。從監測面1上可以看出，UV殺菌裝置腔內沿著徑向方向，輻照強度分布較為均勻。從監測面2可知，腔室兩側的UV輻照強度較小，通過在UV裝置進、出口增加旋向相反的導流葉片，改變了流體的流動狀態，使得貼近腔體壁面的粒子能夠流經UV輻照高強區域［12］，增加了粒子被紫外輻照的均勻性。

圖7 UV裝置輻射強度分布圖

4.3 紫外輻射劑量

綜合考慮到各種微生物所需要的紫外致死劑量和光復活特性，UV殺菌裝置中粒子受到的輻照劑量高于200 mJ/cm2時，能達到大多數有害物質的有效致死劑量。USCG在驗證UV殺菌設備結構設計的合理性時，著重考察廠商提供的紫外輻照劑量概率分布圖。由于水流在腔體內并非靜止而是不停流動的，且不同樣本的粒子在UV裝置腔體內的路徑不同，受到的紫外輻照劑量也不同，若需得到紫外輻照劑量的概率分布圖，須將腔內各點受到的的輻照劑量進行積分，如圖8所示。從圖中可知，未優化的UV腔體內的劑量分布高于200mJ/cm2的占比為67.5%，平均紫外劑量為235.4mJ/cm2；優化后的UV腔體內的輻照劑量分布高于200mJ/cm2的占比為88.6%，平均劑量為283.6mJ/cm2。從仿真結果可以看出，經改進后的UV殺菌器處理壓載水的性能大大提高，輻照劑量的均值相比前者增加了48.2mJ/cm2。

圖8 UV裝置輻射劑量的分布圖

5 結語

數值模擬的結果表明，在UV裝置進出口增加導流葉片后，紫外線殺菌效果和流場分布的均勻性明顯改善，達到了理想的殺菌效果。本文通過對UV殺菌裝置的結構進行改進，在腔體的進出口安裝導流葉片，在燈管總功率沒有改變的情況下，使得水流在殺菌裝置腔體中的停留時間延長了0.54 s，UV輻照劑量增加了41.9 mJ/cm2，極大地提高了UV殺菌裝置的處理效果。

該公約于2004年頒布以來，許多廠商陸續研制了多款壓載水處理設備。在不久的將來，隨著壓載水公約的正式生效和防海生物技術的進步，壓載水的檢測標準和處理系統的準入門檻將更加嚴格，在水處理領域有著較大優勢的紫外技術也會被越來越多的廠商重視。后續工作可研究壓載水水質，如濁度、色度等因素，對UV殺菌效果的影響。另外可考慮加裝旋流器過濾和超聲波等預處理裝置，進一步提升后處理時UV的滅殺效果。