UVC-LED動態(tài)水處理殺菌裝置流阻損失仿真數(shù)值的影響研究

慕永剛

（杰生半導體有限公司 馬鞍山 243000）

引言

近些年，人們對飲用水的關注程度不斷增加，而對水源的殺菌則是改善水質(zhì)的重要步驟，這使得加裝UVC-LED的殺菌裝置廣泛的應用在了家電凈水領域。UVC-LED殺菌裝置不僅綠色環(huán)保、能夠最大限度的殺滅水中的細菌和病毒，保證飲用水的安全無菌，而且裝置體積小、使用壽命長，具有高可靠性與優(yōu)異的模塊化適配性。

由于水流介質(zhì)速度快，同時凈飲水設備內(nèi)部流道復雜，如何解決水流短時間內(nèi)的殺菌效果成為目前有待解決的重要技術課題。本研究從家電凈飲水設備系統(tǒng)出發(fā)，通過在水處理環(huán)節(jié)中引入新的功能模塊——UVC殺菌裝置，研究不同結構方案下的殺菌裝置內(nèi)部流動特性規(guī)律，探索深紫外殺菌技術在凈飲水機中的優(yōu)化解決方案，以期開發(fā)出殺菌性能更強勁、更符合用戶需求的凈水產(chǎn)品。

1 幾何模型及劃分

1.1 產(chǎn)品結構如圖1、2

圖1 實物外觀

圖2 模型結構

UVC殺菌裝置，其具有進水口和出水口，殺菌裝置的內(nèi)部設有殺菌腔，殺菌腔的底部安裝有UVC-LED光源，光源與殺菌腔圍成過水通道，光源發(fā)出的深紫外線射入殺菌腔，對流經(jīng)殺菌腔的水流進行滅菌消毒。

1.2 邊界設定

邊界條件的設定直接影響仿真結果的準確性，殺菌裝置流道中的流體介質(zhì)選擇為25 ℃時液態(tài)水，密度和動力粘度分別為1×103 kg/m3，1.01×10-3Pa/s，壓力和速度場耦合算法為Coupled，動量、湍動能、湍流耗散率和能量空間離散算法為二階迎風格式。裝置進口為Mass Flow Rate 0.001 kg/s、裝置出口為壓力出口邊界，出口壓力為0，所有壁面采用無滑移壁面。（流體流動控制方程分別為連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，相關內(nèi)容可參考流體力學書籍，本文不做具體展開。）

1.3 網(wǎng)格劃分

如圖3所示，根據(jù)產(chǎn)品結構特點，忽略對水流流動影響較小的區(qū)域，抽取內(nèi)部流道進行仿真分析，殺菌裝置的流道結構近似T 型。網(wǎng)格劃分如圖4所示，內(nèi)流場體網(wǎng)格數(shù)量為322 019，節(jié)點數(shù)為129 537，網(wǎng)格質(zhì)量（Skewness）平均值為0.65。

圖3 產(chǎn)品內(nèi)部流道

圖4 有限元網(wǎng)格劃分

需要說明的是，所建立的流道僅為產(chǎn)品內(nèi)部流體域模型，外部的筒體、端蓋等并未考慮在內(nèi)。網(wǎng)格的質(zhì)量對模型求解的準確性和收斂性有重要的影響[1]，利用Meshing模塊進行網(wǎng)格劃分，由于非結構化網(wǎng)格對復雜的結構處理結果更為準確，因此選用非結構化網(wǎng)格對產(chǎn)品內(nèi)部流道進行網(wǎng)格劃分。因為整流區(qū)分水孔區(qū)域速度場變化復雜，為保證計算精度和結果收斂，有必要設置邊界層，進行局部網(wǎng)格加密，邊界層數(shù)為5。進行網(wǎng)格無關性分析，最大出口流量誤差為1 %以內(nèi)。

1.4 湍流模型選擇

合適的湍流模型對于準確地預測流道內(nèi)部水流的流動至關重要，為了減少CFD仿真誤差對殺菌裝置進出口壓損精度的影響，因此選取了Realizable k-ε、RNG k-ε、k-w和SST k-w 四種湍流模型來仿真流道中穩(wěn)態(tài)和時均的流動特點以及對流道壓損差異的影響，不同湍流模型仿真計算壓損數(shù)值如表1所示。

表1 不同湍流模型的壓損

通過與計算均值對比，結果表明，四種湍流模型的壓損仿真值差異在5 Pa以內(nèi)，壓損除湍流模型外，其余三個模型均與參考均值誤差相對較大，k-w 和SST k-w與參考值的誤差均在7.2 %附近，處于同一水平。SST k-w模型中風道壓損的仿真值為28.33 Pa，偏??；RNG k-ε模型中風道的仿真值為33.28 Pa，偏大，與參考值的誤差分別為7.3 % 和8.8 % ；

RNG k-ε模型對湍動黏度進行了修正，考慮了平均流動中的旋流流動情況[2]，比采用標準k-ε模型模擬內(nèi)部的流動情況更加可靠，可更好地處理高應變率及流線彎曲較大的流動。該模型不僅適用于雷諾數(shù)高的情況，也適用于雷諾數(shù)低的情況。因此，在后續(xù)裝置結構參數(shù)化仿真計算中選用RNG k-ε湍流模型與近壁面函數(shù)處理法相結合進行數(shù)值模擬。

2 仿真模擬

為充分研究不同參數(shù)對殺菌裝置內(nèi)部流動特性的影響，以進出水孔內(nèi)徑、分水孔內(nèi)徑和分水孔數(shù)量為變量，選取了4 個維度多組工況進行參數(shù)化仿真。

2.1 進出水孔內(nèi)徑對流場的影響

通過以上參數(shù)化仿真計算，由圖5、6結果表明，當出水孔內(nèi)徑（P3）固定不變，進水孔內(nèi)徑（P2）數(shù)值大小與壓損成線性關系，隨著P2的增加，裝置內(nèi)部壓損有明顯的減小趨勢，當P2由1.8繼續(xù)增加，壓損（P4）曲線數(shù)值下降幅度不明顯，趨于平穩(wěn)，說明繼續(xù)增加進水孔內(nèi)徑大小對減小殺菌裝置流道壓損幫助不大；當進水孔內(nèi)徑（P2）固定不變時，出水孔內(nèi)徑（P3）也呈現(xiàn)以上相同的變化趨勢；因此得出結論，對于3分口殺菌裝置，內(nèi)孔徑為1.8時有利于液體流動。

圖5 進水孔內(nèi)徑對壓力損失影響趨勢

圖6 出水孔內(nèi)徑對壓力損失影響趨勢

2.2 響應面分析（圖7）及參數(shù)敏感度（圖8）

圖7 響應面分析

圖8 P2、P3參數(shù)敏感度

通過圖7響應面反映的是進出口壓差（P4）與進水孔內(nèi)徑（P2）和出水孔內(nèi)徑（P3）關系，結果表明要實現(xiàn)UVC殺菌裝置流道流阻最小，P2、P3在滿足結構強度和生產(chǎn)裝配的前提下應盡可能取最大值。同時，從圖8參數(shù)敏感度可以看出，P3對壓損（P4）的影響權重占比高于P2帶來的影響。

2.3 整流區(qū)分水孔內(nèi)徑對流場的影響

當選取進出水孔內(nèi)徑數(shù)值為2，分水孔數(shù)量為6，對分水孔內(nèi)徑進行參數(shù)化優(yōu)化計算，由圖9、10結果表明，當進出水孔內(nèi)徑固定不變，分水孔內(nèi)徑取數(shù)值1.45時，殺菌裝置內(nèi)流道沿程壓損最小，為設計最優(yōu)解；

圖9 分水孔內(nèi)徑對壓力損失影響趨勢

圖10 分水孔內(nèi)徑參數(shù)化DOE極值

2.4 整流區(qū)分水孔數(shù)量對流場的影響

分水孔數(shù)量的不同對殺菌裝置內(nèi)部的流動特性有很大的影響，因此選擇一個合適的分水孔數(shù)量很重要。在原產(chǎn)品方案6個分水孔的基礎上（進出水孔內(nèi)徑取2）進行結構優(yōu)化，調(diào)整分水孔的數(shù)量，選取數(shù)量為8和10（取偶數(shù)便于加工工藝）。通過速度、壓力、跡線云圖對比可以清晰地觀察到，隨著分水孔數(shù)量的增加，速度壓力云圖突變區(qū)減少，流體域整體均勻性提高，經(jīng)過計算，兩個優(yōu)化后方案壓損分別為17.9 Pa和17.6 Pa，比原設計方案壓損大幅降低。

原設計方案與優(yōu)化后方案流場對比見圖11～14。

圖11 速度云圖

圖13 速度矢量圖

圖14 速度跡線圖

通過以上可以看出，兩個優(yōu)化后方案通過分別增加分水孔數(shù)量為8和10，均帶來了較好的內(nèi)部流場均勻性，流場壓力云圖及速度矢量圖都有明顯較好的均勻性提升。在進口流量相同的情況下，良好的流場分布對提高殺菌裝置的水處理能力及殺菌率具有更大的益處。

總體來看，在進出水孔內(nèi)徑及分水孔內(nèi)徑最優(yōu)參數(shù)組合情況下，通過增加分水孔數(shù)量對UVC殺菌裝置整個流場流量均勻性帶來了較大幅度提升。

3 實驗驗證

選擇5 L/min、6 L/min、7 L/min三個不同流速條件，分別進行殺菌率實驗，記錄不同流速條件下經(jīng)過殺菌裝置后的取樣水中大腸桿菌菌落的數(shù)量，評估經(jīng)過結構優(yōu)化調(diào)整后的UVC殺菌裝置的殺菌性能。

通過實驗驗證，5 L/min、6 L/min、7 L/min三個流量對應下的培養(yǎng)皿中均無菌斑形成，表明經(jīng)過殺菌裝置后的取樣水中大腸桿菌已經(jīng)被完全滅活。因此，結構優(yōu)化后的UVC裝置，最高殺菌處理流量達到7 L/min，相比原方案產(chǎn)品5 L/min的水質(zhì)殺菌處理性能提升15 %。

4 結論

1） CFD數(shù)值仿真結果與殺菌率實驗驗證結果趨勢相吻合，說明利用CFD對UVC殺菌裝置的內(nèi)部流場特性進行優(yōu)化以提高產(chǎn)品殺菌率性能是可行的；

2）通過多工況參數(shù)化仿真計算、響應面分析和參數(shù)敏感度影響結果可看出，不同進出水孔及分水孔內(nèi)徑、整流區(qū)分水孔數(shù)量均會不同程度影響到裝置內(nèi)部流道沿程壓損。同時，出水孔及分水孔內(nèi)徑敏感度遠高于進水孔內(nèi)徑對壓損的影響。通過以上流動特性規(guī)律，給出提高內(nèi)部流場穩(wěn)定性和降低壓力損失的優(yōu)化方向和參考依據(jù)，對后續(xù)UVC殺菌產(chǎn)品的設計開發(fā)具有重要指導意義；

3）由于出水孔（P3）對壓損（P4）的影響權重遠高于進水孔（P2）帶來的影響，因此，產(chǎn)品正裝和反裝會對殺菌裝置內(nèi)部水流產(chǎn)生不同的壓降影響，進而影響用戶端取水流量；

4）根據(jù)不同湍流模型下流阻數(shù)值分析得出，RNG k-ε湍流模型在分析彎曲程度較大、轉彎處較多的復雜流場方面相比于其它模型，有著十分準確的計算精度，仿真結果數(shù)值與參考均值比較誤差更小，要明顯優(yōu)于k-w、SST k-w 和 Realizable k-ε三個湍流模型。