计算流体力学（CFD）可以通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，并可以对流体力学问题进行模拟和分析。由于CFD能快速详细地反映流体的流动过程，近年来被广泛应用于模拟各种水处理单元的流态，如沉淀、絮凝、消毒、生物处理等。目前，CFD已经成为检验紫外消毒效率的标准方法之一〔1〕。在模拟中，CFD计算过程中物理模型的概化以及数学模型、离散方法、边界条件等的选择，都影响着模拟结果。本研究综述了CFD应用在消毒池设计的近况，重点分析了其中的模拟不确定性，并对如何提高模拟的准确性提出了建议。
1 水处理消毒工艺设计中存在的问题
消毒是水处理的关键技术单元之一，无论是在给水处理还是污水处理中都有广泛的应用，主要目的是杀灭水处理系统中有害的病原微生物，常用的水处理消毒方法有氯消毒、臭氧消毒和紫外线消毒〔2〕。水处理消毒工艺设计中主要存在以下2个问题。
1.1 消毒池的设计
目前消毒池的设计依赖于以往经验，往往忽略了其中涉及的水流动力学、原水水质和运行条件等，不仅浪费能源还有增加消毒副产物的风险。消毒池中常见的不理想流态有以下几种〔3〕：（1）短流，进出口设置过近或进口流速过大引起，降低进水流速或在进口设置导流板可改善短流现象；（2）死水区，死水区使液体停留时间变长，对反应器的物料混合很不利，常见于进水和出水口两端，导流板与反应器壁面结合处等；（3）循环流，由消毒池流动不均引起，减少循环流应从改善消毒池内部结构入手，采用接近推流式可减少循环流；（4）其他非理想流动，温度差引起的密度流、浓度差引起的异重流、分子扩散引起的流体物质扩散、流速分布不均引起的停留时间分布不均等。如何减少短流、死水、循环流等非理想流动是提高消毒效率的关键。
1.2 消毒效率预测
消毒效率预测分为微生物预测和数值模拟预测。微生物预测法需花费大量时间和费用，且不具有时效性。低成本实时监测消毒效率数值的方法得到了越来越多的应用。消毒效率预测指标有以下3种。
1.2.1 CT值
1.2.2 T10/T指标
T10/T指标表示消毒的水力效率，在相同CT灭菌效果条件下，T10的值越高，C越小，消毒的水力效率越高。T10/T指标与消毒池的进出水方式、池体内部结构、导流墙等因素有很大关系。因此T10值常用作指导消毒池的设计。但在实际工程中，由于消毒池尺寸较大，示踪实验时效性较差，且T10也不能完全代表实际接触时间，因此对消毒效率的预测有失准确。
1.2.3 紫外线平均剂量
目前水处理中多采用Dillon经验公式来确定紫外单元的紫外线剂量，其计算公式见式（1）。
式中：RAD——紫外线平均剂量，mW·s/cm2；
q——每根灯管处理的最大流量，L/（min·根）。
在工程化中还要引入灯管老化系数和套管结垢系数。但在实际运行过程中，以上公式并没有考虑悬浮物颗粒浓度、污水透光率、消毒池流态等因素的影响，且紫外线等强度数值简化为灯管中间的强度值，并没有考虑到灯管的几何特性，与实际结果存在误差，因此可知传统方法无法准确反映紫外消毒效果。
2 CFD在消毒池设计中的应用
CFD通过计算机求解计算流体力学基本控制方程，得到所求问题的基本物理量，如速度、压力、浓度等在流场的空间分布与时间变换。CFD从20世纪70年代起开始应用，并在航天以及核反应领域内得到推广，近年来广泛应用于水处理行业。可通过CFD技术解决以上在消毒工艺设计中存在的问题。
2.1 流场的模拟
流场模拟是CFD消毒模拟至关重要的一步，直接关系到后续模拟和优化的准确性。在消毒中，不可压缩流体流场的最基本控制方程〔6〕是连续性方程、动量方程，分别见式（2）、式（3）。
式中：u——x方向单位质量流体流出的速度，kg/s；
v——y方向单位质量流体流出的速度，kg/s；
w——z方向单位质量流体流出的速度，kg/s。
式中：p——压强，Pa；
f——单位质量力，N/kg；
流场模拟中的重要问题是如何模拟紊流，紊流的模拟主要有3种方式，即雷诺时均法、大涡模拟法、直接数值模拟法，主要特点见表1。
表1 主要湍流模拟方法
| 湍流模拟 | 原理 | 优点 | 缺点 | 适用范围 |
| 直接数值模拟 | 直接求解控制方程 | 计算最精确 | 计算耗费大，只能计算简单湍流 | 低雷诺数简单湍流如：槽道或圆管湍流 |
| 大涡模拟 | 空间平均后求解 | 计算精确度大于雷诺时均法成本低于直接数值模拟 | 计算耗费大，需要足够多的边界条件 | 航天器设计等 |
| 雷诺时均法模拟 | 时间平均后求解 | 适用范围广、计算成本低、信息不精确 | 单一方法，缺少普适性 | 广泛应用于各种高、低雷诺数湍流 |
因为直接数值模拟和大涡模拟对计算机的运行速度要求较高，而雷诺时均法因其要求较低，适用性较强，在水处理中使用最广泛。
2.2 CFD用于消毒池设计的优化
消毒池的几何形状存在很大差异，因此不同的消毒池发生不同的流体动力学过程。即使流速、紫外灯功率和透光度相同，消毒剂的剂量分布和消毒效率也可能不同。因此有必要通过CFD建模得出最优的消毒池参数。
2.2.1 增加挡板位置
在消毒单元中，增加挡板是减少短流、提高消毒效率的有效手段〔7〕。挡板降低了挡板附近的水流速度，导致平均停留时间T的增加，进而提高了CT值。挡板增加的位置至关重要，有时增加挡板反而会降低处理效率，H. Y. Li等〔8〕分别考察了无挡板、水平挡板、竖直挡板3种情况，结果表明，竖直挡板的RAD提升了77%，而水平挡板的RAD降低了28%，这是因为挡板实际上增加了具有高辐射强度区域中的速度，即灯之间的区域，导致该区域中的停留时间更短。因此，尽管流体在设置了水平挡板的消毒池中平均停留时间较长，但RAD较低。不同区域的停留时间在RAD中具有不同的权重〔9〕，F. Taghipour等〔10〕综合考虑了介质吸收和灯管反射等因素发现靠近灯管处的紫外线功率可达243 mW/cm2，边壁处降低至10 mW/cm2。因此进一步需要通过同时求解流场和辐射强度场来进行消毒池的优化。
2.2.2 L/W
挡板增设的数目也是制约消毒效率因素之一，一般用流动长度与宽度比值（L/W）来描述挡板增加情况。A. Shilton等〔11〕通过提高L/W，可使水力效率提升70%~90%，但随着L/W的提高，水力效率不会无限制的增长。D. Kim等〔12〕发现，在L/W接近20时水力效率上升速度明显下降，在L/W大于20后上升速度几乎为0。这是因为随着挡板的增加，消毒池中靠近挡板部分的流速变快，可能在挡板后面形成旋涡或新的死区影响流态，且挡板数量过多通常导致流体流动接近活塞式反应器，会造成反应器结构复杂，导致更多水头损失。R. Amini等〔13〕的研究结果表明，在适当调整L/W后，六挡板的水力效率可高于九挡板的效率。
2.2.3 SF
消毒池的形状对水力条件影响也很大，以消毒池的长宽比（SF）为形状因子，S. Lee等〔14〕发现在SF分别为0.5、1、2的情况下，即使L/W增加，消毒池中的死区也分别保持在10%、5%、1.5%，水力效率分别接近0.6、0.63、0.73。适当调整进出水口也可以改善水力条件。J. Zhang等〔15〕对3种不同进口流量情况下的示踪剂扩散情况进行模拟，发现流量提升88.7%的情况下T10的增加小于2.5%，J. W. Choi等〔16-17〕对5种不同的进水方式、废水的紫外线透过率、进水流量模拟，通过设置导流板、减少入口速度和改变进水方向使有效消毒效率提高了20%。因此通过减少入口流速和使进水流速均匀，可以在T10不变的情况下提高平均停留时间，提升消毒效率。
2.2.4 反应器的串联
优化消毒池的另一种方法是将许多反应器串联。与具有一个反应器的系统相比，具有n个串联反应器系统的辐射功率减少了n倍。根据中心极限定理，在总辐射强度不变的情况下，每个反应器剂量分布都服从正态分布，因此总的消毒效果会提升。F.Taghipour等〔10〕在总辐射强度相同的情况下，10个串联反应器与1个相比能耗增加15%~50%，剂量分布由0.5提升至0.75，提升50%，因此对于某些去除效果要求较高的情况可使用串联反应器。
2.3 CFD用于消毒效率评价
计算消毒池中消毒剂分布的一种方式是通过求解CT的扩散方程获得CT分布，消毒池内某一点CT的平均值取决于总消毒剂浓度分布和平均停留时间。J. Zhang等〔15〕和R. W. Sanstag等〔18〕对美国坦帕市5种运行情况下的消毒效率预测，结果表明，最低臭氧浓度情况下，提升22%的停留时间可以使消毒指标达到22.06（mg·min）/L，高于常见病原体99%灭活的臭氧CT值要求〔19〕。通过对消毒剂浓度预测可以优化处理工艺进而减少消毒剂的使用量。C. Xu等〔20-21〕利用CFD技术预测氯和污水初始接触区域的射流混合情况，发现在相同的停留时间下，将浓氯溶液稀释4倍并使注射喷嘴的数量加倍可以使消毒剂使用量减少10%~15%。
3 消毒池CFD模型的准确性
3.1 涡街的影响
3.2 流速比尺效应
3.3 多相流过程
3.4 系统的复杂性
4 结语
水处理消毒工艺设计中主要存在着反应器设计最优参数的选取和消毒效率评价等问题。可通过CFD技术优化反应器设计的参数（挡板、流速、形状等），也可使用CFD对消毒效率进行评价。数值模型具有不确定性，使用准确的消毒模型至关重要，K-ε模型不能很好地描述消毒中的非定常流，因此未来的挑战可能有以下几方面：（1）使用拉格朗日法来确定粒子轨迹，追踪粒子，计算粒子停留时间来修正紊流模型，进而更准确地预测消毒效率；（2）采用更高精度的模拟，如大涡模拟与直接数值模拟等；（3）CFD模型需要大量的计算时间，需合理和慎重地简化模型；（4）由于消毒系统的复杂性，需要配合试验和检测提出合理的反应参数。
参考文献
Developments in computational fluid dynamics-based modeling for disinfection technologies over the last two decades:A review
[J].
A systematic approach for the design of UV reactors using computational fluid dynamics
[J].DOI:10.1002/aic.12255 [本文引用: 1]
Disinfection under dynamic conditions:modification of hom's model for decay
[J].
Impact of water quality and reactor hydrodynamics on wastewater disinfection by UV, use of CFD modeling for performance optimization
[J].DOI:10.2166/wst.1998.0238 [本文引用: 1]
Numerical and experimental investigation of UV disinfection for water treatment
[J].DOI:10.1016/j.applthermaleng.2016.09.106 [本文引用: 1]
Assessing the impact of upstream hydraulics on the dose distribution of ultraviolet reactors using fluorescence microspheres and computational fluid dynamics
[J].DOI:10.1089/ees.2008.0139 [本文引用: 1]
Modeling and design of ultraviolet reactors for disinfection by-product precursor removal
[J].
Development of guidelines for improved hydraulic design of waste stabilisation ponds
[J].DOI:10.2166/wst.2003.0114 [本文引用: 1]
Large eddy simulation of flow and tracer transport in multichamber ozone contactors
[J].DOI:10.1061/(ASCE)EE.1943-7870.0000118 [本文引用: 1]
Numerical assessment of hydrodynamic characteristics in chlorine contact tank
[J].DOI:10.1002/fld.2394 [本文引用: 1]
Dead zone analysis for estimating hydraulic efficiency in rectangular disinfection chlorine contactors
[J].DOI:10.1089/ees.2010.0035 [本文引用: 1]
Evaluating hydraulic and disinfection efficiencies of a full-scale ozone contactor using a RANS-based modeling framework
[J].DOI:10.1016/j.watres.2013.12.037 [本文引用: 2]
UV dose predictions for ultra violet flowing water purification of axial reactor type based on the location of the exit by CFD
[J].DOI:10.11001/jksww.2012.26.4.521 [本文引用: 1]
Wastewater disinfection by ozone:influence of water quality and kinetics modeling
[J].
CFD for wastewater treatment:an overview
[J].DOI:10.2166/wst.2016.249 [本文引用: 1]
By-products formation during drinking water disinfection:a tool to assess disinfection efficiency?
[J].DOI:10.1016/S0043-1354(01)00051-3 [本文引用: 1]
Performance analysis of ultraviolet water disinfection reactors using computational fluid dynamics simulation
[J].DOI:10.1016/j.cej.2013.01.108 [本文引用: 1]
Modeling of mixing and rapid chlorine demand in sewage disinfection with dense chlorine jets
[J].
Evaluation of different disinfection calculation methods using CFD
[J].
Hydraulic and disinfection efficiency of an ozonation contactor for a municipal water treatment plant using computational fluid dynamics
[J].DOI:10.1002/cjce.22839 [本文引用: 2]
Impact of inner-wall reflection on UV reactor performance as evaluated by using computational fluid dynamics:The role of diffuse reflection
[J].DOI:10.1016/j.watres.2016.11.068 [本文引用: 1]
Numerical modeling of turbulent buoyant wall jets in stationary ambient water
[J].
UV reactor flow visualization and mixing quantification using three-dimensional laser-induced fluorescence
[J].DOI:10.1016/j.watres.2011.04.041 [本文引用: 1]
On sensitivity of RANS simulations to uncertain turbulent inflow conditions
[J].
Geometry defeaturing effects in CFD model-based assessment of an open-channel-type UV wastewater disinfection system
[J].DOI:10.3390/w9090641 [本文引用: 1]
Similitude in an open-channel UV wastewater disinfection reactor
[J].
Wastewater treatment by means of advanced oxidation processes based on cavitation-A review
[J].DOI:10.1016/j.cej.2018.01.049 [本文引用: 1]
Large-eddy simulation:current Capabilities, recommended Practices, and future research
[J].DOI:10.2514/1.J050232 [本文引用: 1]
津公网安备 12010602120337号