一种基于CFD模型计算废水反应器内UV剂量的方法

技术领域

本发明属于废水处理领域，尤其是一种基于CFD模型计算废水反应器内UV剂量的方法。

背景技术

突发性公共卫生事件引起的安全问题给人类敲响了警钟，同时也推动了水处理领域消毒技术的革新。作为一种绿色的消毒技术，近年来紫外线(UV)消毒在我国受到了重点关注。随着人民生活水平的提高和环保意识的增强，对城市供水、污水排放及污水回用的要求日益严格，UV消毒技术已经被认可并开始大规模应用于污水处理领域。然而，由于水中污染物对UV的吸收，导致消毒器内的UV剂量分布不均。不同的水质点在反应器内的停留时间也不相同，采用常规的计算方法不能得到准确的UV剂量，不利于分析消毒系统内UV剂量的分布，从而造成不必要的能耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于CFD模拟计算UV剂量的方法，对UV消毒技术的推广具有一定的参考意义。本方法以常见的不锈钢材质UV消毒器为基本模型，利用CFD模拟反应器内的流场，从而得到微生物的计算运动迹线和停留时间，最终计算出反应器内的UV剂量。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种基于CFD模型计算废水反应器内UV剂量的方法，包括如下步骤：建立UV消毒器CFD模型；对消毒器模型进行网格划分；设定计算模型和边界条件的参数；计算UV强度和反应器内微生物停留时间；计算基于CFD的UV剂量。

进一步地，UV强度计算模型采用标准k-ε双方程模型或RNG k-ε双方程模型，微生物迹线采用离散型模型。

进一步地，包含进口和出口的反应器两个端部均采用四面体网格；中间的主体部分采用非结构化的六面体网格，轴向网格的尺寸大于径向网格。

进一步地，反应器壁面附近区域在划分网格之前设定边界层，增大该区域网格的密度。

进一步地，UV强度的计算采用PSS模型，反应器内任意点的UV强度见如下公式：

I(x,y,z)为任意点的UV强度，mW/cm

进一步地，将微生物在第i条迹线上第j个微元处接受的UV辐射强度和其在该点的停留时间相乘，计算微生物在第j个微元处所接受的UV剂量，

ΔD

ΔD

I(x

Δt

进一步地，任一条微生物迹线上所有点的UV强度与辐射时间的乘积即为该微生物在反应内的UV剂量

进一步地，反应器内所有微生物接受的UV剂量的均值为反应器的平均UV剂量

进一步地，通过下式计算UV剂量值的精确值，

HRT为水力停留时间，s。

本发明的优点和积极效果是：

本发明基于CFD模型计算废水反应器内UV投加量的方法，CFD方法的计算结果更贴近实际值，减少不必要的能源浪费。可对实际工程中UV消毒系统的设计具有一定的指导。

附图说明

图1为简化的UV消毒器模型；

图中：1为进口，2为出口，3为不锈钢内壁，4为石英套管外壁

图2为UV消毒器的网格划分；

图3为UV消毒器中微生物的计算运动迹线；

图4为UV强度沿停留时间的分布图；

图5为基于PSS模型和DPM模型的UV剂量分布(Q＝4m

图6为微生物沿反应器径向的运动情况(Q＝4m

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明利用CFD技术，模拟UV消毒器的水力条件和微生物在其内部的运动情况，分析微生物的运动迹线、停留时间和接受的UV辐射强度，提出了基于CFD计算反应器内UV剂量的方法，减少不必要的能源浪费。

本发明方法具体包括如下步骤：

1、建立简单的UV消毒器CFD模型

UV消毒器的简化几何模型如图1所示，反应器具有一个进口1和一个出口2，分别位于反应器的两端，相对位置为异侧，并且垂直于反应器主体。UV消毒器工作时，微生物质点均匀分散在水流中，从石英套管外壁4和不锈钢内壁3之间的环形区域通过反应器。因水流为连续相，而微生物为离散相，故计算中采用Euler-Lagrange的方法进行处理。水为连续相、紊流状态甚至还有可能出现旋流现象，且反应器进、出口处与主体部分的雷诺数不同，故计算中采用RNG k-ε双方程模型，以适应计算低雷诺数流体的需要。微生物为离散相，均匀散布在水中，用DPM模型处理，以获取其在反应器内的运动迹线和停留时间。DPM模型计算中假设微生物质点为惰性材料，不与水发生反应，其密度与水相同，尺寸假定为微米级，注射时均匀分布在反应器的进口断面，初速与水相同。

2、对消毒器模型进行网格划分

为减少计算的工作量，同时提高网格的质量，UV消毒器的几何体采用混合网格，具体划分为三部分：包含进口和出口的反应器两个端部均采用四面体网格；中间的主体部分采用非结构化的六面体网格，轴向网格的尺寸大于径向网格，这样既减少了网格数量，同时网格的质量也得到了保证。计算之前将三段网格连接成一个整体，然后定义边界条件，选择计算方法和模型，进行最终模拟计算。

另外，由于靠近壁面处流态比较复杂，水流的速度梯度远大于中心区域，如果采用相同的网格密度，则壁面附近的计算会产生较大的误差，因此壁面附近区域在划分网格之前设定边界层，增大该区域网格的密度，可以提高计算的精度。本实施例计算中网格总数约为34万个，单个网格最大扭曲度不超过0.75。

3、对计算模型和边界条件等参数进行设定

在CFD模拟计算之前，需要对计算模型和边界条件等参数进行设定，相关的控制条件如下：

(i)连续方程

(ii)k-ε双方程

ρ——水的密度，kg/m

k——湍流动能，J；

ε——湍流耗散率，％；

G

μ

α

α

C

C

R

(iii)离散相运动方程

ρ

d

Re

C

μ——水的动力粘滞系数，Pa·s；

g——重力加速度，m/s

u——水的流速，m/s；

u

α

(iv)边界条件

进口边界条件：设置为速度进口条件，水流速度沿反应器的进口断面均匀分布，且垂直于进口断面；微生物质点从进口断面注入，且均匀分散于水中，初速与水相同；

出口边界条件：定义为自由流出条件；

壁面条件：采用静止壁面条件，离散相接触到壁面则自动反射回反应器。考虑到不锈钢和石英玻璃的表面比较光滑，参照水力学的相关资料，壁面的粗糙系数取0.009，绝对粗糙度取0.01mm。

内部区域：未专门定义的部分默认为反应器的内部区域。

4、进行UV强度和反应器内微生物停留时间计算

UV强度的计算采用PSS模型，考虑到常用的UV消毒器均为不锈钢材质，对UV有一定的反射，但反射的影响程度主要取决于反应器的半径和水中污染物对UV的吸收情况，因此需要借助于污水的水质参数来分析反射对UV强度的影响是否可以忽略。水的透射率低于70％时，由折射和反射引起的UV强度的计算误差不超过6.5％，因此本发明的计算中未考虑UV在空气/石英/和水/不锈钢界面的反射以及穿过空气/石英/水界面时的折射。

将UV强度的积分形式转变为差分格式，编写程序计算反应器内任意点的UV强度，差分格式见式(5)。

I(x,yz)——任意点的UV强度，mW/cm

P——UV灯额定功率，W；

η——UV灯紫外输出效率；

n——计算设定的点光源数量；

l——任意点(x,yz)到点光源的距离，cm；

α——水在254nm的吸光度，cm

r——任意点(x,yz)到UV轴线的垂直距离；

r

微生物通过反应器时所接受的UV辐射强度，需要结合其运动迹线和式(5)共同确定，其强度分布见图4。

采用CFD中的DPM模型可以模拟出微生物质点在UV消毒器内的运动迹线，并计算出对应的速度，运动迹线如图3所示。用n

Δt

Δl

u

请在此处补充上式中各个参数的定义。

根据微生物在反应器内的运动迹线，利用PSS模型可以计算出微生物沿该条迹线运动时接受的UV强度沿停留时间的分布，如图4所示。UV强度的变化反映了微生物在反应器内沿径向的运动情况。在反应器的前半段，微生物的径向运动非常明显，说明水流的紊动程度很大；而在后半段，微生物的运动虽然趋于稳定，但仍有比较明显的径向运动，直至流出反应器。

5、基于CFD的UV剂量计算

微生物在第i条迹线上第j个微元处接受的UV辐射强度和其在该点的停留时间相乘，可以计算出微生物在第j个微元处所接受的UV剂量。

ΔD

I(x

UV灯由一系列各向同性的点光源组成，各个点光源相互独立；每个点光源均以球面辐射形式向周围均匀传播能量(即相同半径的球面上的UV强度都相等)，

所有点光源的UV光强在任意点(x,r)的叠加值即为UV灯在点(x,r)处的UV强度值I(x

综上所述，根据微生物在反应器内不同位置的停留时间和该处的UV光强，可以计算出沿第i条迹线运动的微生物通过反应器时接受的UV剂量D

计算n

CFD模型的网格尺寸越小、迹线越多，UV剂量值越精确。当CFD模型的网格尺寸无限小且迹线量无穷大时，可得到UV剂量值精确值。

反应器内UV剂量的概率分布见图5。UV剂量主要集中在20-35mJ/cm

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。