基于CFD的紫外消毒模型的开发

论文摘要

紫外消毒技术由于不产生二次污染、运行安全可靠、安装维修简便、占地面积小、消毒效率高等优点,在水处理消毒领域应用越来越广泛。目前,国内紫外线消毒技术水平与国际先进水平相比存在很大差距。国际大型紫外设备厂商已经开始采用计算流体动力学等先进工具开发紫外消毒设备,而国内生产商现在主要是模仿国外厂家进行生产,缺乏设备的开发核心技术,紫外消毒效果无法得到保证。在此背景下哈尔滨工业大学与深圳市海川实业股份有限公司合作开展“水处理紫外消毒设计优化与设备开发”项目,此项目已申请深圳市产学研项目,本课题即是其中的一部分。研究中运用计算流体力学（CFD）数值模拟技术建立紫外消毒模型,对该模型进行了流场模拟,主要工作内容包括:（1）建立基于CFD的紫外消毒模型,研究光强分布。对光强计算模型进行分析后,以柱状环近似叠加数学模型为基础编写光强计算程序,设计开发紫外光强分布计算软件,并以此软件为工具对紫外消毒模型中光强分布进行计算;（2）对紫外消毒模型进行流场的水力模拟,采用粒子示踪的方法模拟颗粒的停留时间,计算消毒模型的有效剂量,以有效剂量为评价手段对消毒模型进行消毒性能评估,建立有效剂量-流量反应关系曲线,分析发现有效剂量随流量增加而减少,呈倒幂的函数关系,而不是简单的线性关系;当反应器消毒灭活率达到4.4 lg时, T 10/ HRT =0.3634,模型的水力效率不高,消毒潜力较大;（3）采用生物验证的方法对紫外消毒模型有效剂量进行验证,验证结果表明模拟剂量高于生物验证剂量;（4）为减少模拟剂量与生物验证剂量之间的系统误差,引入修正系数k1,k2,修正后的模拟曲线与实验验证曲线基本重合,曲线相关系数均在0.99以上,模拟值与实验真实值非常接近。这说明,对模拟和实验中产生的系统误差,我们可以通过修正系数k1,k2,来减小或消除,使模拟结果能直接用来指导实际工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景、目的和意义
• 1.2 国内外紫外线消毒技术发展及现状
• 1.2.1 紫外线消毒原理
• 1.2.2 国内外紫外线消毒技术发展历史
• 1.2.3 影响紫外线消毒效果的主要因素
• 1.2.4 常见紫外线消毒反应器的类型
• 1.2.5 国内外现有的紫外线消毒规范
• 1.3 国内外紫外消毒技术的优化及存在的问题
• 1.4 国内外CFD 技术的研究现状
• 1.4.1 CFD 软件的开发及应用
• 1.4.2 CFD 技术在紫外消毒中的应用
• 1.5 本文主要研究内容和技术路线
• 第2章 紫外消毒模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 紫外消毒CFD 模型的建立
• 2.2.1 CFD 模型的选择
• 2.2.2 紫外线消毒模型
• 2.3 紫外线强分布计算
• 2.3.1 光的折射、反射和吸收
• 2.3.2 光强分布计算数学模型
• 2.3.3 光强分布计算软件的开发
• 2.4 紫外线剂量的求解
• 2.4.1 紫外线剂量的不同定义及计算方法
• 2.4.2 有效剂量的求解
• 2.5 本章小结
• 第3章 紫外线消毒模型的CFD 模拟
• 3.1 引言
• 3.2 紫外消毒模型中的光强分布
• 3.2.1 模型边界条件
• 3.2.2 模型中紫外线光强分布
• 3.3 紫外消毒模型有效剂量模拟计算
• 3.3.1 DPM 模型建立
• 3.3.2 模型模拟结果
• 3.3.3 紫外反应器模型剂量仿真模拟
• 3.3.4 T10对紫外消毒模型水力评价
• 3.4 本章小结
• 第4章 紫外消毒模型生物验证
• 4.1 引言
• 4.2 生物验证的原理和方法
• 4.2.1 验证方法
• 4.2.2 验证生物的选择和培养
• 4.2.3 准平行光实验
• 4.3 试验材料和检测方法
• 4.4 UV 消毒反应器模型的验证
• 4.4.1 紫外消毒反应器流量与计量对应关系
• 4.4.2 生物验证剂量与计算平均剂量的对比
• 4.5 模型模拟结果修正
• 4.6 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢