UVDT 紫外线消毒杀菌器数值模拟研究*论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：为探究紫外灯管辐射强度以及紫外灯管布局对于紫外消毒杀菌器的消毒效果的影响， 基于计算流体力学(CFD)建立计算模型 以进行研究 。结果表明： 当通过增加紫外灯功率来提高消毒杀菌效果时， 其平均粒子辐射强度增加， 但增加比例不与功率增加比 例成正比， 高功率紫外灯与低功率紫外灯相比， 有效紫外辐射强度增幅仅为 8%; 当增加紫外灯管数目时， 减小了微生物粒子到紫 外灯管的距离， 对紫外平均辐射强度有较明显的增幅作用 。研究结果可以对水杀菌系统的设计提供参考。

　　Abstract: In order to explore the influence of ultraviolet lamp irradiation intensity and ultraviolet lamp layout on the disinfection effect of ultraviolet disinfection technology, a computational model is built based on computational fluid dynamics for the study . The results show that when increasing the power of UV lamp, the average particle radiation intensity increases but not proportional , compared with the low power UV lamp, the increase of effective UV radiation intensity of high power UV lamp is only 8%; when the number of UV lamp is changed, the distance between the microbial particles and the UV lamp is reduced, and the average UV radiation intensity is increased obviously . The results provide reference for the design of the water sterilization system .

　　Key words: ultraviolet lamp; medium voltage; computational fluid dynamics; disinfection technology

　　0 引言

　　水处理指的是通过物理方法或者化学方法来降低或 除去水中有害物质， 从而起到提升水质的调节处理过程。 水中的杂质主要包含悬浮物 、胶体以及溶解物[ 1] 。在水 处理过程中不但要对水中的悬浮物以及胶体进行沉降处 理， 还需要对水中的溶解物进行处理， 使其达到符合使 用要求的水质条件[2] 。紫外线消毒杀菌技术是利用一定 波长的紫外线对微生物进行照射， 破坏微生物中的 DNA 或 RNA 的分子结构， 从而起到抑制微生物繁殖或者直接 使微生物死亡的作用， 达到消毒杀菌的目的[3] 。与传统 的氯消毒相比， 紫外线消毒杀菌技术具有较大优势， 它 避免了采用化学方式对水进行处理而造成的有害物质残 留， 且紫外线消毒杀菌的时间比氯处理的时间短， 因此 更加安全高效， 具有广阔的应用前景[4] 。 中压紫外线杀 菌器指的是使用波长范围为 185~400 mm 的紫外线设备， 可以对水进行消毒 、脱氯， 配套 1 000 W 中压 UV 灯， 对 水的处理量可达 40t/h; 单台功率选型范围为 1.0~ 14 kW，流量范围为 40~830 t/h， 当灯管数量多或者水质差的情况 下可选择带有自动清洗装置的杀菌器[5]。

　　GULLIAN 等[6]研究了水的浑浊度对于传统 UVC 的杀 菌效果的影响; 潘玉鹏[7] 探究了紫外灯与双氧水联用的 消毒反应器的反应机理以及调节范围 。本文以 UVDT 紫 外线消毒杀菌器为研究对象， 因计算流体力学 (Compu⁃tational fluid dynamics， CFD ) 方法可以将流体力学 、紫 外辐射剂量以及微生物粒子动力学有效结合， 将它作为 UVDT 紫外线消毒杀菌器的模拟工具， 可以有效缩短研 发周期以及降低研发成本[8] 。本文研究不同辐射强度 、 不同灯管个数以及灯管排布方式对于微生物消杀效果的 影响 。通过 CFD 对流体分布以及微生物粒子运动轨迹进 行模拟， 根据微生物粒子在 UVDT 内的停留时间， 结合 紫外线辐射强度进行计算， 预测 UVDT 的杀菌效率[9] 。最 后， 通过对比分析不同参数运行的 CFD 计算结果， 研究 关键运行参数对于 UVDT 紫外线消毒杀菌器的杀菌效果 影响， 以更好地优化设备运行时的条件以及效率[ 10]。

　　1 数值模拟方法

　　1 . 1 紫外线消杀器三维模型

　　本文综合借鉴了国内外产品不同类型的 UVDT 紫外 线消毒杀菌器， 按照不扰流 、阻力小 、混水量小 、流速稳定 、杀菌效率高的原则[11]， 设计搭建了中压紫外线模型并进行仿真模拟 。通过仿真模拟确定了紫外线方向与水流方向垂直的方案， 中压紫外线带自动清洗不锈钢腔体的设计和中压紫外灯的布置与选型 。紫外线装置设计图如图 1所示 。

　　1.2 控制方程

　　1.2.1 流场控制方程

　　在 UVDT 紫外线消毒杀菌器 CFD模拟计算中， 忽略 微生物粒子对于水的流动产生的影响， 只考虑水的流动 过程 。采用欧拉法求解流场的质量守恒方程以及动量守 恒方程[12]， 获得 UVDT 中的水流的速度与压力分布。

　　质量守恒方程为：

　　式中： ρ 为流体密度; u 为流体速度; V 为速度矢量; v 为 运动黏度; Fx 为流体质量力; p 为梯度压力。

　　1.2.2 紫外光强模拟方法

　　本文采用的紫外光强的计算模型为 Fluent 中的 DO (Discrete Ordinates) 辐射模型， 该模型与该领域内主要 应用的 UV Calc 的偏差率不超过 4%， 与试制的紫外线装 置测试数据相比较， 发现两者具有高度一致性[13] 。DO辐 射模型使用灰带模型进行计算， 可用来计算紫外线消毒杀菌器中半透明介质的辐射光强分布， 同时可以在计算 过程中引入非流场粒子， 并考虑到阻挡物以及介质反射 带来的影响[14]。

　　式中： I 为辐射强度; r 为位置向量; s 为方向向量; s′为散射方向; σ s 为散射系数; (a + σ s)为光学深度。

　　在计算有效紫外辐射剂量时， 辐射剂量不仅与紫外 光辐射强度有关， 还受到微生物粒子在 UVDT 中停留时 间的影响， 而微生物粒子的停留时间由水的流场决定 。 在不同入口处水的流场也不同， 有效紫外辐射剂量可以作为紫外线消毒杀菌器杀菌效果的评价指标[15]。

　　式中： I为紫外辐射强度。

　　1.3 边界条件与网格划分

　　文中紫外线消毒杀菌器模型如图 2所示， 通过数值 模拟求解 。液相入口边界条件为入口直径为 500 mm， 径 向长度为 1 000 mm， 水的入口流速为 0.5 m/s， 水温设置 为 300 K。紫外灯管与水来流方向垂直放置， 紫外灯管 均匀置于中心， 来流横掠过灯管。

　　在数值模拟过程中， 选择合适的网格密度需要综合 考虑计算结果的可靠性以及计算效率 。本文选用 40 万、 80 万 、 160 万的 3 种网格数， 计算了轴向速度 0.5 m/s， 功率 600 W/m2 工况， 最后选用网格数量为 80万的网格， 它与网格数量为 160万的模型计算偏差小于 1%， 其网格 如图 2所示。

　　2 计算结果分析

　　2.1 不同辐射强度下消杀效果

　　对不同紫外辐射强度的消毒杀菌器进行模拟， 进口 水流速为 0.5 m/s， 温度为 300 K。根据数值模拟结果， 可以得到紫外线消毒杀菌器的流场分布以及光强分布， 在紫外线消毒杀菌器的中心纵截面以及轴向中心断面进 行截取 。轴向速度分布如图 3所示 。

       由图可知， 在流体 流动的主体区域， 流速没有明显变化， 仍为 0.5 m/s 左 右， 处于层流的流动状态 。紫外灯管对流场产生的影响 区域较小， 流体横掠紫外灯管时， 由于边界层的影响， 贴近管壁处速度为 0. 在紫外灯管的前半周， 绕流的流 体流速增加， 达到 1.25 m/s， 而在后半周灯管的后侧出 现旋涡， 流速降低 。在紫外线装置不锈钢腔体中， 受到 死区的影响， 流体的流动受到限制， 与主体区域相差较 大 。在入口处均匀投放微生物， 结合流场可以模拟计算出微生物的运动轨迹以及停留时间 。如图 4 所示， 受紫 外线装置腔体以及壁面的影响， 微生物粒子在这两块区 域内的停留时间较长， 与流场的流动情况相符。

　　图 5 所示为不同辐射强度中心纵截面的辐射场强 。 由图可知， 采用不同的辐射强度， 紫外线消毒杀菌器具有 不同强度的辐射磁场。紫外线消毒杀菌器中的紫外辐射强 度分布不均， 灯管近壁处的紫外辐射强度最强， 使用辐 射功率为 700 、800 、900 、1 000 W/m2 的中心粒子辐射强 度分别为 1 863. 15 、1 885.00 、1 898.63 、1 916.26 W/m2. 由于水对紫外射线的吸收与散射作用， 越远离紫外灯 管， 紫外辐射强度减弱， 整个区域内 3 个灯管的紫外灯 辐射场叠加， 紫外灯辐射强度随着与中心区域距离的增 大而减小， 使用功率为 700 、800 、900 、 1 000 W/m2 的 平均粒子辐射强度分别为 1 694.37 、1 722.85 、1 763.32、 1 823. 15 W/m2.

　　当选用不同功率紫外辐射灯时， 不影响微生物粒子 移动的轨迹， 根据微生物粒子团的运动轨迹以及紫外辐 射场强计算得到的有效紫外辐射强度如图 6 所示。

　　由图 5 可知， 在死区由于停留时间较长， 其有效 紫外辐射 强 度 反 而 最 大， 而 流 体 主 体 区 域 轴 向 的 流 速 较 为 均 匀， 在 靠 近 紫 外 灯 管 的 中 心 区 域 有 效 紫 外 辐射强度较大 。

　　2 .2 不同灯管个数下消杀效果

　　对不 同 灯 管 个 数 的 紫 外 线 消 毒 杀 菌 器 进 行 模 拟， 采用的紫外灯管辐射强度为 600 W/m2. 水进口速度为 0.5 m/s， 温度为 300 K 。根据数值模拟结果， 可以得到紫 外线消毒杀菌器的光强分布， 在紫外线消毒杀菌器的中 心纵截面以及中心横截面进行截取， 不同紫外灯管个 数 的 紫 外 辐 射 场 也 具 有 较 大 差 异 。 由 图 7 可 以 看 出， 使用的灯管个数越多， 其总辐射越大， 分别采用紫外灯 管个数为 1 、2 、4 、5 时， 其总辐射剂量依次为 1 503.51、 1 575.87 、1 786.87 、1 806.07 W/m2 。这是因为紫外灯辐 射强度随着与紫外灯管距离的增加而减少， 而采用的紫 外灯管数目增加时， 紫外灯管在紫外线消毒杀菌器内的 分布更为均匀， 在纵截面内的空间点坐标与其距离最近 的紫外灯管的距离减少。

　　不同的紫外灯管数对紫外线消毒杀菌器内流场的影 响也不同， 微生物粒子随着流场流动， 本文于轴向方向 上在入口处选择 Z 为 0 、66 、 132 、 198 、260 mm， 追踪 到的微生物粒子的运动轨迹 、停留时间以及有效辐射剂 量如图 8 和表 1 所示。

　　在灯管数为 1 时， 随着 Z 的增大， 有效紫外辐射剂 量先减小后增大， 只有在 Z=0 时选取区域的粒子运动轨 迹受到紫外灯管的影响， 在流经紫外灯管时形成绕流， 其粒子辐射剂量最大， 达到 1 753 W/m2. 粒子停留时间 也最长; 而在 Z=260 mm 时， 受到壁面的影响， 粒子停 留时间相对其他 3 个区域内的粒子较长， 有效紫外辐射 剂量也较大; 在 Z=198 mm 时， 有效紫外辐射剂量取最 小值 1 468 W/m2 。 当灯管数为 5 时， 紫外灯管分布的改 变等同于改变了微生物粒子在运动过程中距离灯管的位置， 与灯管数为1 时相比， 紫外辐射强度发生较为明显的改变， 同样在 Z=0 时其粒子辐射剂量最大， 达到 1 785 W/m2. 随 着 Z 的增大， 有效紫外辐射剂量先减小后增大， 但由于其 在紫外线消毒杀菌器灯管分布较为均匀， 其变化幅度较 小， 最小值为 1 628 W/m2.

　　2 .3 不同灯管布置方式对比

　　对不同紫外灯管腔体布置方式的紫外线消毒杀菌器 进行模拟， 探究不同布置方式对流场以及紫外辐射场强 的影响 。采用的紫外灯管辐射强度为 600 W/m2. 水进口 速度为 0.5 m/s， 温度为 300 K 。一种紫外灯腔体采用平 行排布， 另一种采用的是交叉排布， 相邻紫外灯腔体的 夹角为 60°， 其模型如图 9 所示。

　　根据数值模拟结果， 可以得到紫外线消毒杀菌器的 辐射场强如图 10 所示。

　　在紫外线消毒杀菌器的中心纵截面进行截取， 不同 灯管布置的紫外辐射场也具有较大差异 。 由图 11 可知， 有夹角的紫外灯腔体在紫外线消毒杀菌器中空间分布也 较均匀， 因此流域主体的边缘的紫外辐射强度更大， 而 中心区域没有较为明显的差异 。具有夹角的紫外灯排布 较大地改变了微生物粒子的运动轨迹， 微生物粒子在流 场中的停留时间也较长 。根据流场以及辐射场计算出的 总辐射剂量分别为 2 149 、2 159 W/m2. 无明显差异。

　　3 结束语

　　本文以 UVDT 紫外线消毒杀菌器为研究对象， 探究 了紫外辐射剂量 、紫外灯管数量以及排布对于消毒杀菌 效果的影响。

　　( 1 ) 在通过增加紫外灯功率来提高消毒杀菌效果时， 只改变辐射场的强度， 不改变水的流场， 其平均粒子辐 射强度增加， 但增加比例不与功率增加比例成正比， 紫 外灯管辐射强度从 700 W/m2 增加到 1 000 W/m2 时， 平均粒子辐射强度从 1 694.37 W/m2 增加到 1 823. 15 W/m2. 幅 度仅为 8%。

　　( 2 ) 在保持紫外灯管总辐射强度一致时， 通过改变 紫外灯管数量， 改变其在流场上的分布， 减小了微生物 粒子到紫外灯管的距离， 增强了平均紫外辐射强度 。当 使用灯管数为 5. 紫外灯管辐射强度为 600 W/m2 时， 其 平均辐射强度为 1 806.07 W/m2. 约与紫外灯管数为 1. 紫外灯管辐射强度为 900 W/m2 时接近。

　　( 3 ) 在改变紫外灯腔体在 UVDT 紫外线消毒杀菌器 上的布局时， 相比于紫外灯腔体采用平行排布， 紫外灯 腔体的夹角为 60°的排布使紫外线在空间上分布得更为 均匀， 紫外灯管对流场产生了更大的影响， 但平均紫外 辐射强度无明显变化。

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