基于计算流体动力学模拟的紫外消毒器优化设计及节能运行研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李文涛 |
| 答辩日期 | 2017-05 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 强志民 |
| 关键词 | 紫外消毒器 Cfd模拟 Uv Disinfection Reactor Red Cfd Simulation 优化设计 Red 节能运行 Optimal Design Economical Running |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 其他题名 | Optimal design and economical running of UV disinfection reactors based on computational fluid dynamic simulations |
| 英文摘要 | 饮用水水源中耐氯性致病微生物（如隐孢子虫和贾第鞭毛虫）的发现以及氯 代消毒副产物的广泛检出使得传统饮用水加氯消毒工艺面临着巨大挑战。由于可 以高效杀灭“两虫”并且几乎不产生消毒副产物，近年来，紫外线技术在国内外 饮用水消毒过程中得到了广泛的应用。然而，紫外消毒技术在实际应用过程中的 效率受到紫外消毒器具体构型、处理的水质和水量以及消毒器的运行维护情况等 诸多因素的影响。 为保证紫外消毒器在实际工程应用中的运行效果，需要对上述种种因素对紫 外消毒器性能的影响进行评估，并据此采取相关应对措施。计算流体动力学（CFD） 技术可以在无需加工紫外消毒器的情况下通过模拟获得某一构型消毒器的性能， 并对其在不同处理水质和水量以及灯管输出功率条件下的表现进行评估。目前， 有关紫外消毒器 CFD模拟的基础理论和实际应用研究还比较缺乏，紫外消毒器 的设计加工很粗放，导致紫外线技术在应用过程中时常出现效果差或能耗高的问 题。在此背景下，本文进行了基于 CFD模拟的紫外消毒器优化设计及应用研究， 取得的主要成果如下： 确定了紫外消毒器的 CFD模拟过程：（1）根据消毒器构型建立相应的几何 模型并划分计算网格；（2）选择合适的湍流模型，设定流动相关边界条件；（3） 选择合适的辐射模型，设定辐射相关边界条件；（4）打开离散相模型，设定模拟 微粒投加方式，加载用户自定义程序积分计算相应紫外剂量。基于紫外强度分布 原位测试平台评估了不同紫外强度分布模型的准确性。结果表明，校正后的离散 坐标（DO）辐射模型（校正因子为 0.8）可以准确地模拟紫外消毒器内的光场分 布。微生物灭活率验证结果表明，本研究开发的紫外消毒器 CFD模拟方法（即 可实现 k-模型、校正后 DO辐射模型以及拉格朗日离散相模型的组合）具有很 高的准确性，可以准确地评估紫外消毒器的性能。 采用上述开发的紫外消毒器 CFD模拟方法对三灯管紫外消毒器构型进行了 优化设计，重点考察了灯管布置和进出水管直径对消毒器性能的影响。通过理论 推导和 CFD模拟分析，确定了可以用最小紫外剂量（Dmin）替代等效还原剂量 （RED）作为紫外消毒器构型优化过程中的消毒器性能指标，从而使得优化设计 目标更为明确并显著降低了紫外消毒器优化设计工作量。总体而言，灯管正三角 形布置（NOR）的消毒器具有比灯管倒三角形布置（REV）的消毒器更大的 Dmin 值，即更好的消毒器性能。构型为 NOR-0.4-75的消毒器具有最大的 Dmin 值，这 主要是因为该构型下水流混流程度高。具有最优化构型的紫外消毒器的最大消毒 流量相对其他非优化构型消毒器的提高了 47100%，对应的节能效率为 3250%。 研究了采用高反射内壁以提高紫外消毒器性能的可行性。研究结果表明，具 有反射性内壁紫外消毒器内的光强分布可以通过校正后 DO辐射模型来准确模 拟。高反射内壁（R = 0.80）消毒器内紫外强度要显著高于普通内壁（R = 0.26） 消毒器内的，该差异在高 UVT时更为突出。相对于普通内壁消毒器而言，高反 射内壁消毒器 RED的提升主要源于消毒器内体平均紫外强度（FRva）的提升。 内壁漫反射可以提高消毒器内紫外强度分布均匀性，但后者对消毒器性能的贡献 是条件性的：对水流流态接近于推流的 L型消毒器而言，其可以在一定程度上提 高消毒器 RED；对水流混流程度足够高的 U型消毒器而言，其对消毒器 RED的 贡献几乎可以忽略。 提出了分时段调节灯管输出功率（LOP）的紫外消毒器节能运行方案以应对 二次供水流量周期性变化导致的能量浪费问题。根据二次供水流量的变化规律， 将一天 24 h分为 6个连续的特征时段，并为每个特征时段确定了一个用于灯管 策略验证的关键流量（Qc）。灯管策略评估结果表明，对于同一 LOP而言，最优 消毒器性能总是由灯管切换类策略而非功率调节类策略产生。将经相应时段 Qc 验证的具有适宜 LOP值的最优灯管策略进行顺序组合，得到紫外消毒器的节能 运行方案。该方案可以在不影响消毒效果的同时降低 32%的运行能耗，相当于一 天节电 4.8 kWh。 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/38646]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室 |
| 作者单位 | 中国科学院生态环境研究中心 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李文涛. 基于计算流体动力学模拟的紫外消毒器优化设计及节能运行研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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