陳 寧，焦 晨，陳 剛

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

(2.江蘇科技大學計算機科學與工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

隨著經濟全球化，航運業(yè)對全球經濟發(fā)展的巨大推動作用被廣泛認同.但船舶壓載水“生物污染”問題日漸顯現(xiàn)，以及《國際船舶壓載水和沉積物控制管理公約》(以下簡稱《壓載水公約》)的提出［1］，各國都在努力應對，尋找解決方案.文中所介紹的紫外線(UV)殺菌法對于壓載水中的微生物及病菌去除具有良好的效果，更因其具有設備占據空間小、經濟、高效，特別是處理中不會生成有毒副產物等優(yōu)點［2］，受到了設備開發(fā)商和船東的青睞.為了使設備的效能符合《壓載水公約》標準的要求，開發(fā)商對其設計的效能極為重視.UV殺菌器的流場特性將直接影響到腔體內的紫外線輻射劑量分布情況以及對壓載水的處理效能.因此，如何預測壓載水所受的輻射劑量和微生物的滅活程度將是對設計UV殺菌器質量優(yōu)劣評估的關鍵技術.

壓載水系統(tǒng)的殺菌效果，即UV殺菌器優(yōu)化設計方法有試驗模擬和數值優(yōu)化模擬兩種.試驗模擬即壓載水系統(tǒng)進行分析，通過不斷地改進腔體結構形式來驗證殺菌效果是否達到優(yōu)化目的，因此，需要進行大量的物理實驗和生物檢測工作，并且時間和金錢上花費較多.

文中將CFD 數值模擬應用于壓載水系統(tǒng)中的UV殺菌器殺菌效能的優(yōu)化設計，通過Fluent軟件對特定的UV殺菌器進行流場分析、紫外輻射強度分布分析、微生物停留時長和運動軌跡模擬分析等，為計算UV殺菌器中生物所受紫外光的輻射劑量奠定了堅實基礎.

1 UV殺菌器CFD模擬

CFD技術用于UV殺菌器的數值模擬可分為3個主要步驟:①水力模擬，即選擇適當的計算流體動力學模型和參數，對模型內部流體區(qū)域進行適當的網格單元劃分，按照單相均質流體來分析內部的流場，獲得流線、速度場、壓力場等信息;②光強分布模擬，即根據光強分布理論，計算每個單元體所受到的輻射強度;③有效劑量計算，即基于CFD模型對水力模擬模型與光強分布模擬模型進行耦合［3］.

2 UV殺菌器數值模擬的關鍵因素

2.1 流場模擬

商用CFD軟件的基本功能之一是分析單相均質流體內部的流場，通過建立UV殺菌器數值模擬的水動力特性數學物理模型，分析UV殺菌器內流場的均勻程度，得出流體在UV殺菌器中均勻分布所存在的缺陷.

該方法不僅可以得到流場模型，還可以利用微分方程來求解離散相粒子所受的作用力和運動軌跡.粒子受力微分方程的形式為:

式中:u，up為粒子所在位置與粒子連續(xù)相的速度; ρ，ρp為流體、粒子密度;FD(ui－up，i)為粒子單位質量曳力;Fi為其它作用力.

當計算粒子運動軌跡時，粒子主要受流體曳力、重力以及流場中的其他作用力.但其他作用力與曳力及重力相比，在量級上非常小，因此為使文中模型簡化，可將其他作用力忽略不計.所以，計算時主要考慮曳力，其次是重力.文中采用DPM模型(Fluent的多相流模型)模擬UV殺菌器中微生物的隨機運動情況，得出微生物在UV殺菌器中過流時間內的軌跡信息.

2.2 光強模擬

通過對UV殺菌器內光強的模擬，得出紫外光強在UV殺菌器內的分布情況，以及UV殺菌器內介質對紫外光的吸收、石英套管對光強的透射率、石英套管間對光強的反射、折射等因素對光強分布的影響.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(huán)計算單元，對這些計算單元進行近似疊加計算，其光強分布計算如式(2)所示［4］.

式中:P為UV燈管功率(W/h);x0為UV燈管軸向起點坐標;x1為UV燈管軸向終點坐標;λ為介質平均透光率;θ為折射角;r為燈管半徑;l為燈管長度.

利用Fluent軟件的DO(discrete ordinate)輻射模型，通過數值模擬，可直觀地得出UV殺菌器內光強的分布.

2.3 當量劑量計算

紫外線殺菌的效果與紫外線劑量(UV dose)的大小直接相關.雖然微生物對于紫外線具有累積性，但是，在連續(xù)流UV殺菌器中，由于微生物隨水流運動，UV殺菌器中光強分布不均勻，且每個微生物運動的路徑以及在UV殺菌器內的停留時間不同，所接受的劑量也不同，因此，從嚴格的數學意義上來說，必須通過式(3)的積分才能準確求得輻射劑量［5］.

式中:i(x，y，z，t)為在t時刻時某特定點(x，y，z)處的輻射光強度;T為微生物在消毒器內的總停留時間.

從上式可以看出，紫外輻射劑量的大小是由UV殺菌器內部任一點的輻射強度和壓載水在UV殺菌器內停留的時間決定的，由于i(x，y，z，t)，T又與UV殺菌器內部紫外燈管的結構位置、粒子濃度、粒子大小分布、壓載水渾濁程度、處理壓載水量等多種因素直接相關，無法分析求解，只能借助數值計算手段，通過DPM來模擬微生物在空間和時間上的位置，而要獲得微生物沿其運動軌跡所受的各個方向上紫外線輻射的累積劑量，就必須通過積分方程，即每一時間步長內受到的平均輻射強度對微生物在UV殺菌器內停留時間的積分.可以基于Fluent平臺，編寫用戶自定義函數(UDF)，將光強分布導入UV殺菌器模型中，以計算得出各粒子所在位置點的光強I(x，y，z).根據給定的計算步長，通過計算大量粒子的運動軌跡后即可生成劑量分布圖.

3 UV殺菌器內部流場的模擬

數值模擬對象為自行設計的UV殺菌器，該殺菌器為封閉管式，內有18根額定功率為3000W以上的中壓高強紫外燈管，紫外燈管外部有起保護作用的天然石英套管，其結構如圖1.紫外燈管發(fā)出的紫外線能量在到達水中微生物個體的過程中除了被外層天然石英玻璃管吸收，還會被天然石英玻璃管外的水層吸收，故在計算水層中的紫外強度分布情況時要綜合考慮上述兩種衰減［6］.假設不計紫外線能量在燈管與天然石英套管間空氣中的衰減，那么根據朗伯定律可知，距離燈管水層厚度為dw的某點的紫外輻照強度I可表示為:

式中:I0為初始輻照強度，即石英套管表面的紫外線強度(W/cm2);αw為水對光的吸收系數(cm1)，αw=0.2326 cm－1;dw為水層厚度(cm);ηq為石英套管對紫外光的透過率，根據國家標準取ηq=0.9.

3.1 建立模型

運用Gambit軟件建立紫外燈殺菌器的三維實體模型:X軸正向為來流方向，紫外燈的軸向垂直于Y軸而與Z軸平行.在圖1中，整個殺菌器分為入流區(qū)，輻射區(qū)和出流區(qū)三部分:

圖1 UV的幾何結構示意Fig.1 Schematic illustration of the geometrical structure of UV

圖2為殺菌器內部的速度場分布云圖，圖2中整個流場內，入流區(qū)與出流區(qū)分別為漸擴和漸縮的設計，所以入口出口速度很快，靠近入口上下紫外燈之間的區(qū)域是高速流動區(qū)域，流體經過圓柱型紫外燈后出現(xiàn)明顯的低速區(qū).但在輻射區(qū)流體的整體流速較為均勻，使得壓載水的停滯時間也較為平均，有利于輻射劑量的提高.圖3為UV殺菌器內部總壓力大小的分布云圖，可以明顯看出，在輻射區(qū)中，在紫外燈管阻擋的空隙前壓力較大，而整體的壓力趨勢在入流區(qū)逐漸增大，在入流區(qū)與輻射區(qū)交匯處達到最大，然后逐漸下降，趨于平衡.

圖2 UV內部流體的速度場分布云圖Fig.2 Contours of velocity magnitude w ithin UV

圖3 UV內部流體的總壓分布云圖Fig.3 Contours of total pressure w ithin UV

3.2 輻射強度

實驗所用紫外燈管功率大于3000W，而該燈管在UVC波段功率為370W左右.由式(4)計算，石英套管表面紫外輻照發(fā)射強度為10 428.64W/m2，其它邊界設為非透明體，同時設置一個波長在200～280nm的紫外光輻射波帶，UV殺菌器內壁發(fā)散率設為0.8.迭代計算后得到紫外光燈周圍輻射強度最高，并呈云狀向外擴散.由于燈管發(fā)出的紫外光線在輻射過程中，其周圍的水和天然石英套會吸收和散射紫外光，因此，流體介質中的粒子離紫外燈管越遠，則其所接受的輻射強度就越低，如圖4.由于紫外燈之間輻射的相互疊加作用，整個消毒器內最大輻射強度可達18713W/m2.

圖4 燈管發(fā)出紫外光線輻射與位置的關系Fig.4 Bulbs em it ultraviolet light radiation to the position

3.3 UV殺菌器內部微生物運動軌跡和停留時間

對UV殺菌器采用入口面射流源，考慮到湍流對粒子的影響，采用隨機步長模型，計算1 480個入射粒子的運動軌跡.模擬圖(圖5)為入射面上同一點發(fā)出的粒子組軌跡，迭代后結果顯示:粒子的最短過流時間為0.51 s，最長過流時間為3.34 s，平均過流時間為0.77 s.考慮壓載水在入流區(qū)，出流區(qū)的時間是不能計算停滯時間內的.因此，絕大部分粒子在輻射區(qū)的停留時間在0.5～0.7 s的區(qū)間里.

圖5 入射面上同一點發(fā)出的粒子組軌跡Fig.5 Incom ing group from the same point on the surface of the particle trajectory

4 藻類滅活模擬實驗

在壓載水中，通常有細菌、病毒、藻類、孢子等生物需要處理.藻類在其中具有代表性，所以選藻類作為實驗對象.通過這個實驗，可以檢測所設計的儀器的殺菌性能是否滿足IMO的標準.

4.1 實驗材料和儀器

實驗用水取自上海海洋大學壓載水環(huán)評試驗水池用水.實驗裝置根據設計的結構參數，自行設計(圖1).

實驗藻種:考慮《Guidelines for Approval of BallastWater Management Systems(G8)》中第D2規(guī)定的要求，選擇尺寸小于50μm但大于或等于10μm的藻種，而且主要選擇對紫外線抗性高的藻類，根據這些要求選擇了魚腥藻，新月菱形藻.

藻類密度:1×104cell/ml.根據《Guidelines for Approval of Ballast Water Management Systems(G8)》中的有關規(guī)定，微生物大小在50μm與10μm之間的生物密度最好在104cell/ml，但不得小于104cell/ml.

藻類在使用前進行分離純化，培養(yǎng)裝置在1mol/L的鹽酸中浸泡數小時，蒸餾水沖洗干凈后待用，再進行高溫殺菌后，按體積比1∶2對藻液進行接種，放入光照箱進行培養(yǎng)，培養(yǎng)條件:23±1℃，光照強度4800Lux，PH=7.2.把兩種藻類各培養(yǎng)到濃度104cell/ml，然后加入到清洗干凈的20 t原水儲存桶中，并加入清水稀釋培養(yǎng)液.

4.2 實驗方法

本實驗系統(tǒng)處理壓載水量為300m3/h，根據上文的仿真分析得出水流經UV殺菌器的平均時間為0.4 s.單用紫外線輻射，對藻類的效果不是很好，因為壓載水的渾濁程度，一些雜質都會影響紫外線的滅活效果.所以，分別采用經過水力旋流器過濾后的壓載水和未經過過濾的壓載水進行試驗［7］.實驗表明，采用過濾后的實驗用水，壓載水受到的紫外線照射強度比較均勻，滅活效果也比較好.

藻類的滅殺效果通過在顯微鏡下用血球計數板直接計數求出，藻類的物理傷害可利用顯微鏡直接觀察.

4.3 實驗結果和分析

對紫外線照射藻類滅活實驗取樣，并用血球計數板進行計數［8］.紫外線在水力旋流器的過濾作用配合下，滅活效果顯著提升，實驗結果見表1.

表1 實驗結果Table1 Experiment result

將實驗結果與IMO標準進行比較:

對比兩組實驗表明:有過濾作為前處理的滅活試驗，其實驗結果已基本滿足IMO標準.由此表明，對UV的CFD模擬是有效的，有利于減少多余實驗，直接獲得理想的UV結構模型.

但是，觀察其趨勢，若生物密度繼續(xù)增大，其殺滅效率會減小.而沒有過濾的紫外線殺滅藻類試驗，其殺滅效率也不能達到所預期的效果.所以，文中設計的UV模型還有很大的改進空間.

5 結論

文中UV殺菌器已達到設計要求，但從研究結果可以看出，在同等實驗條件下，配合過濾，可以使紫外線殺滅效果大大提升，但隨著濃度增大，紫外線的殺滅效果有下降趨勢.所以，在滿足D2規(guī)范的前提下，可以嘗試加入超聲波處理等物理手段，增強殺滅效果［9］，或者增加壓載水在UV殺菌器中的過流時間，以取得更好的殺滅效果.

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