船舶壓載水紫外光催化處理器CFD數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

熊志偉 付小敏

摘? ? 要：為克服傳統(tǒng)的樣機試驗方法周期長、耗資巨大的缺點，采用工程設(shè)計領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的CFD仿真技術(shù)，得出船舶壓載水紫外光催化處理器的流場和光場分布，并借助于自主開發(fā)的流場與光場的耦合計算程序，計算出紫外光催化處理器的關(guān)鍵性能參數(shù)—紫外輻射劑量，為紫外光催化處理器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)參考。通過CFD仿真，對比了多種紫外光催化處理器的設(shè)計方案，選定一種在結(jié)構(gòu)型式、尺寸、功率和處理效果方面的最優(yōu)組合方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的優(yōu)化計算，使流場與光場分布均勻、水流與光催化膜充分接觸、紫外輻射劑量分布最優(yōu)，能夠低功耗下高效殺滅船舶壓載水中的微生物。

關(guān)鍵詞：船舶壓載水;紫外光催化處理器;CFD;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號：U698.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The traditional prototype tests have the disadvantages of long period and high expense， for overcoming these disadvantages， this paper uses CFD method which is widely used on engineering design field. The results illustrate the flow and radiation distribution of ultraviolet photo-catalytic reactor. And compute the UV radiation doses （the critical performance parameters） by the coupled simulation program of the flow and radiation field which is self-developed. The results provide important data reference for structure optimization of photo-catalytic reactor. This paper compares many different design proposal of photo-catalytic reactor by CFD method and designs the best proposal in the structure， dimension， power consumption and treatment efficiency. On this basis， this paper carries out continuous optimizations， make the flow and radiation distribute uniform， the streams and photo-catalytic films contact sufficiently and the best UV doses distribution. Ultimately， achieve the most efficient treatment on the lowest power consumption to organisms in the ship ballast water.

Key words： Ship Ballast Water; Ultraviolet Photo-catalytic Reactor; CFD; Structure Optimization

1? ? 前言

在對船舶壓載水中的微生物處理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，需獲得關(guān)鍵部件—紫外光催化處理器流場和光場的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，目前有兩種方法：試驗和仿真。因紫外光催化處理器尺寸大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)行一次實物，須耗費大量的人力、物力，且試驗周期在2～3個月左右，出于成本和項目時效性的考慮，試驗法不可取。而隨著流體仿真軟件和計算機硬件的飛速發(fā)展，大規(guī)模仿真計算的速度和準(zhǔn)確性得到大幅度提高，在許多工程領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。本項目即采用計算流體動力學(xué)（CFD）仿真軟件對紫外光催化處理器進(jìn)行流場和光場的數(shù)值模擬，為反應(yīng)器的設(shè)計提供參考依據(jù)。與試驗法相比，仿真計算具有成本低、周期短、可操作性強、易實現(xiàn)等巨大優(yōu)勢。

紫外光催化處理器結(jié)合了“紫外+光催化”兩種滅火方式，對于10～50 um的微生物進(jìn)行有效的殺滅;通過開展基于CFD仿真的紫外光催化處理器數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，開發(fā)出一種產(chǎn)品體積小、殺滅性能好的紫外光催化處理器。

基于CFD仿真技術(shù)，對紫外光催化處理器的流場、光場進(jìn)行耦合仿真，通過對比仿真參數(shù)，找到最優(yōu)的光催化反應(yīng)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

2? ?總體方案設(shè)計

根據(jù)光催化反應(yīng)的基本原理，參考20 m3/h原理樣機的試驗數(shù)據(jù)，影響殺滅效果的關(guān)鍵性能參數(shù)見表1。

而要獲取以上參數(shù)，有兩種方法：樣機試驗，仿真計算。樣機試驗和仿真計算是兩種重要的手段，樣機試驗準(zhǔn)確性高、周期長、成本高、可重復(fù)性差;仿真計算準(zhǔn)確性略差、周期短、成本低、可無限重復(fù)，所以樣機試驗和仿真計算在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時相輔相成，可節(jié)約成本，減少不必要的樣機試驗，縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品的競爭力。

隨著CFD商業(yè)軟件在工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用及計算機硬件的不斷提高，使得CFD仿真成為工程設(shè)計中的重要手段。尤其在方案設(shè)計階段，CFD仿真為方案的選取提供了重要的參考依據(jù)。

因此，此項目先選用CFD仿真技術(shù)對紫外光催化處理器進(jìn)行仿真計算，獲取關(guān)鍵性能參數(shù)。

2.1? 初始條件

此項目以HBS-250型海博士壓載水管理系統(tǒng)作為基本單元，因此，進(jìn)行HBS-250型紫外光催化處理器的CFD仿真計算的初始條件見表2。

根據(jù)額定處理流量（用Q表示）250 m3/h和平均時間（用t表示）不小于4～6 s的要求，反應(yīng)器的容積（用V表示）

由于紫外燈管的長度決定了反應(yīng)器的有效長度，結(jié)合上文確定的直徑大小，初步確定反應(yīng)器的尺寸如下：

有效長度：1 171 mm;

內(nèi)徑：Φ700 m;

燈管數(shù)量：30;

石英管外徑：Φ36 mm。

采用Pro/E建立三維模型，得到其體積為0.439m3（≥0.278? m3），符合要求。

確定總體結(jié)構(gòu)形式和尺寸后，首先確定一些必須的結(jié)構(gòu)布置：

進(jìn)口必須加保護(hù)燈管的裝置（即擋板），否則燈管易被水流沖破;

由于對壓載水管路內(nèi)的流速有硬性要求（2～3 m/s），所以進(jìn)出口管徑必須在172～210 mm之間。

經(jīng)過大量的仿真計算，歸納出幾方面對關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有重要影響。

2.2? 進(jìn)出口方式

在考慮進(jìn)出口方式時，首先要保證反應(yīng)器能夠灌滿水，因此出口必須位于上面。

圖1為“下進(jìn)上出”的仿真數(shù)據(jù)，有一部分（2%）的停留時間小于2 s，不符合要求，通過布置導(dǎo)流板可達(dá)到指標(biāo)要求，下面專門予以討論。

2.3? ?導(dǎo)流板布置

“導(dǎo)流板”顧名思義就是對水流起導(dǎo)向作用的板，在化工類反應(yīng)器中經(jīng)常采用，在其他條件不變的情況下，可有效延長水流在反應(yīng)器內(nèi)的最短停留時間，并且使停留時間分布更為均勻，但不能改變平均停留時間。下面從導(dǎo)流板位置和結(jié)構(gòu)分別予以闡述。

2.4? ?導(dǎo)流板位置

確定布置一塊導(dǎo)流板后，下面對導(dǎo)流板的位置進(jìn)行仿真分析。

從表3可以看出，導(dǎo)流板居中雖然最短停留時間比導(dǎo)流板左偏更短（3.1 s < 3.5 s），但2～4 s的部分差不多（12% VS 11%），4～6 s的部分更少（34% VS 46%），大于6 s的部分更多（54% VS 43%），使得平均停留時間更長（7.3 s > 6.9 s）;而導(dǎo)流板右偏使得有一小部分水流的停留時間小于2 s（1.8 s），其他部分與導(dǎo)流板左偏差不多。綜合評價，選取導(dǎo)流板居中的方案。

2.5 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)

確定采用一塊導(dǎo)流板布置后，再對導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。主要對擋流面積進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如表4所示。

由表4可知，2/3導(dǎo)流板方案最差，1/2和1/3導(dǎo)流板方案的各項指標(biāo)均符合要求，從加工的簡便性考慮，選取1/2導(dǎo)流板方案。

確定總體結(jié)構(gòu)形式后，進(jìn)一步進(jìn)行CFD仿真優(yōu)化計算。

CFD仿真計算內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)建模、網(wǎng)格劃分、模型設(shè)置、迭代和后處理等。

3? ?流場仿真計算

3.1? 湍流模型

紫外光催化處理器內(nèi)的流動形式比較復(fù)雜，選用何種湍流模型將會對計算結(jié)果有一定影響。在比較了各種湍流模型的基礎(chǔ)上，最終確定選用RNG 湍流模型。此種模型不但可以模擬高雷諾數(shù)下的流動，而且對于低雷諾數(shù)的流動也能較為精確的模擬。

3.2? 流場的數(shù)值模擬步驟

首先使用Pro/E建立光催化反應(yīng)單元的三維模型，然后采用TGrid類型劃分成Tet/Hybrid網(wǎng)格。采用RNG k-epsilon湍流模型計算光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的水動力特性。進(jìn)口邊界條件設(shè)置成流量入口類型，出口設(shè)置成自由出流類型。

4? ?光場仿真計算

4.1? 選擇輻射模型

本項目中采用DO模型作為輻射模型計算光催化反應(yīng)單元內(nèi)的光強分布。

4.2? 求解策略及結(jié)果

考慮紫外燈使用過程中的輸出效率、燈管與石英管間空氣中的衰減系數(shù)、燈管起垢的衰減系數(shù)、石英管的衰減系數(shù)，再由每個燈管在254 nm波段的輸出功率和燈管的有效面積，計算出每個燈管表面的初始光強，以此作為輸入?yún)?shù)。

5? ? 流場和光場的耦合仿真計算

以光催化反應(yīng)單元內(nèi)部的流場狀態(tài)作為初始條件，采用Discrete Phase Model將與水的密度相同的球形顆粒（直徑1μm）在入口處注入光催化反應(yīng)單元，采用UDF（User-Defined Function）程序進(jìn)行流場與光場的耦合仿真，通過計算每個顆粒從入口到出口的紫外輻射劑量。

6? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真計算

經(jīng)過大量的仿真計算，確定了第一代的250 m3/h紫外光催化處理器結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了工程樣機，通過了陸基試驗，試驗數(shù)據(jù)具有重要的參考價值，其關(guān)鍵性能參數(shù)如表5所示：

反應(yīng)器優(yōu)化，首先要滿足生物有效性要求，即“最小劑量”要求，在沒有其他試驗數(shù)據(jù)的前提下，這里取陸基試驗100%流量時的最小劑量為標(biāo)準(zhǔn)，即表5中29.4? mJ/cm2為最小劑量。

優(yōu)化的思路為：在滿足最小劑量要求的前提下，降低平均劑量，即減小反應(yīng)器總體尺寸，節(jié)約成本。

6.1? 擬優(yōu)化方案

目前反應(yīng)器的內(nèi)部布置如圖2所示，即膜成豎直布置，這樣的缺點是燈管只能在豎直方向微調(diào)，可優(yōu)化的空間較小。

圖3是一種“井”字形的結(jié)構(gòu)布置，其優(yōu)點是：可以根據(jù)速度場的分布布置燈管，在速度較快的地方布置較多燈管，使劑量分布均勻。

由圖4可知，時間分布集中在2～4 s之間，反應(yīng)器效率較高。

由圖5可知，最小劑量為20.1 mJ/cm2，已接近現(xiàn)有反應(yīng)器的水平（27.5 mJ/cm2），通過進(jìn)一步的優(yōu)化，可達(dá)到現(xiàn)有反應(yīng)器的水平。

6.2? 優(yōu)化后的關(guān)鍵性能參數(shù)驗證

通過大量流場、光場、流場與光場的耦合仿真計算，在現(xiàn)有各約束條件下，得到優(yōu)化后的250 m3/h反應(yīng)器關(guān)鍵性能參數(shù)如表6和圖6～8所示。通過優(yōu)化后的方案設(shè)計生產(chǎn)的產(chǎn)品，已陸續(xù)裝船10余套，實際運行良好，表明經(jīng)此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)符合設(shè)計要求。

7? ?結(jié)論

借助于CFD仿真計算的無限可重復(fù)性，且所需硬件配置成本很低，因此，在開展紫外光催化處理器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，節(jié)約了大量成本，減少了不必要的樣機試驗，大大縮短了設(shè)計周期，提高了產(chǎn)品的核心競爭力，具有可觀的經(jīng)濟效應(yīng)。

通過上述CFD仿真，對比了多種紫外光催化處理器的設(shè)計方案，選定一種在結(jié)構(gòu)型式、尺寸、功率和處理效果方面的最優(yōu)組合方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的優(yōu)化計算，使流場與光場分布均勻、水流與光催化膜充分接觸、紫外輻射劑量分布最優(yōu)，能夠低功耗下高效殺滅船舶壓載水中的微生物。

參考文獻(xiàn)

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