阅读说明：本技术 一种基于数值模拟的uv-paa耦合反应器设计优化方法 (UV-PAA coupling reactor design optimization method based on numerical simulation ) 是由 周雪飞 陈家斌 张亚雷 肖绍赜 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种本发明专利公开了一种基于数值模拟的UV-PAA耦合反应器设计优化方法。本发明通过CFD理论,对反应器内流体流态、紫外光分布与化学反应进行模拟,实现动态计算反应时各物理量随时间的变化情况。可以针对不同结构的反应器与运行工况快速、准确的得出模拟预测结果,对反应器性能进行评估并为UV-PAA耦合反应器提供设计、优化的理论决策依据。本发明不仅可节省反应器设计成本、提高反应器效果,也能作为实际运行期间的实时监控与工况优化手段,是具有发展潜力的设计优化方法。(The invention discloses a design optimization method of a UV-PAA coupling reactor based on numerical simulation. According to the invention, the fluid state, the ultraviolet light distribution and the chemical reaction of the fluid in the reactor are simulated through the CFD theory, so that the change condition of each physical quantity along with time during the dynamic calculation reaction is realized. The simulation prediction result can be rapidly and accurately obtained according to reactors with different structures and operation conditions, the performance of the reactors can be evaluated, and a theoretical decision basis for design and optimization is provided for the UV-PAA coupling reactor. The method can save the design cost of the reactor, improve the effect of the reactor, can be used as a real-time monitoring and working condition optimizing means during actual operation, and is a design optimizing method with development potential.)

一种基于数值模拟的UV-PAA耦合反应器设计优化方法

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体属于一种基于数值模拟的UV-PAA耦合反应器设计优化方法。

背景技术

随着我国工业蓬勃发展以及生活水平的不断提高，药品、个人护理品、化工副产物等污染物排放量急剧增大，废水中组分种类、处理难度不断增加，对水环境安全带来了巨大的危害。政府对排放与饮用水标准也在不断提高，但物化法对浓度高、盐度高、毒性高、可生化性差的难处理废水处理效果差，而氯、臭氧等传统氧化技术存在净化不彻底、副产物危害大等问题，无法满足深度处理要求。PAA(过氧乙酸)等新型氧化剂性能更好、更安全，在深度处理中有了巨大的潜力。PAA在UV(紫外)活化下的氧化体系非常适用于个人护理品生产废水、制药废水、化工废水等高浓度、可生化性差的难处理废水以及，深度处理市政污水、畜禽废水等含PPCPs废水，且该方法具有光谱性、操作便捷、反应条件温和等特征。通过在反应过程中产生高活性自由基，自由基与水中有机物反应，实现污染物的去除。

UV-PAA耦合反应器是涉及物理、化学反应的复杂体系，通常采用实验手段进行设计以及工况优化，该方法实验周期长、成本高，且无法获取反应器内实时流体流态、紫外强度分布、污染物降解、药剂消耗等信息，难以为反应器设计优化提供有力支撑。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的UV-PAA耦合反应器采用实验手段进行设计以及工况优化，导致实验周期长、成本高，且无法获取反应器内实时信息。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于数值模拟的UV-PAA耦合反应器设计优化方法，包括如下步骤：

S1确定模拟反应体系的基元反应、反应器详细结构、尺寸信息，并编写对应UDF程序；其中UDF程序包括UV-PAA体系中各反应组分浓度、不同位置紫外光强度、紫外灯管老化情况以及流体粘度的计算方法；

S2根据UV/PAA耦合反应器尺寸并结合进出水、加药口、紫外灯管，确定反应器物理模型，利用Ansys Design Modeler建立几何模型；

S3将上述几何模型导入Ansys Mesh中，确定数值模拟计算域，对几何体进行网格划分；

S4将上述网格导入Fluent中，对网格再次检查，根据实际情况导入UDF模块并设置紫外灯管参数、化学反应速率、进出水口流速的计算模型参数，并设置边界条件、对应控制方程与求解方法进行计算；

S5将上述计算结果导入Ansys CFD-Post中进行后处理，通过可视化观察分析实际反应过程中流场、紫外强度、氧化剂浓度、污染物浓度的分布变化,根据可视化中结果，通过调整药剂投加方式、进出水流量、搅拌强度、紫外灯管设置参数，针对性改进反应器的处理性能，优化反应条件。

进一步的，在所述的S1步骤中，根据实际情况，确定反应过程中参与的物质和涉及的基元反应；各反应组分浓度计算方法为：根据反应物确定基元反应与反应路径，并可根据实际情况对反应进行简化；对每一步反应进行微分方程描述；采用龙格库塔法求解微分方程组。

进一步的，假设紫外光源是点光源的集合，采用点源叠加近似法，具体光强分布公式如下

其中，E为某位置光强；∝为吸收系数；P为紫外灯管有效输出功率；L为紫外灯管长度； d为位置到紫外灯管中轴线的距离；h为位置到紫外灯管中心处高度；

假设紫外光源是环状微元的集合，积分得光强分布公式如下：

其中，E为某位置光强；P为紫外灯管有效输出功率；L为紫外灯管长度；x₁、x₀分别为紫外灯管轴向的两顶点坐标；θ₀为特征夹角；β为溶液透光率；d为位置到紫外灯管中轴线的距离；x_p·y_p·z_p为位置的三维坐标。

进一步的，在所述的S5步骤中，后处理具体包括绘制各物理量的云图、等高线图、矢量图，以及导出相关数据并绘制物理量随时间、空间变化的折线图。

从上述技术方案可以看出本发明具有以下优点：可以针对不同结构的反应器与运行工况快速、准确的得出模拟预测结果，对反应器性能进行评估并为UV-PAA耦合反应器提供设计、优化的理论决策依据。本发明不仅可节省反应器设计成本、提高反应器效果，也能作为实际运行期间的实时监控与工况优化手段。

附图说明

图1为本发明的设计优化流程图；

图2为UV-PAA耦合反应器结构图；

图3为UV-PAA耦合反应器网格划分示意图；

图4为UV-PAA耦合反应器内部速度矢量图；

图5为UV-PAA耦合反应器进出口速度云图；

图6为UV-PAA耦合反应器内部紫外强度云图；

图7为UV-PAA耦合反应器内部污染物浓度云图；

图8为不同转速下消毒效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做具体说明。

以下结合具体实施方式对本发明进一步说明，以下实施例只是本发明的部分应用场景实施案例，而不是全部实施案例，基于本发明的实施案例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明的保护范围，另外，本发明中所提到的所有联结/连接关系，并非单指构件直接相连，而是根据具体实施情况，通过添加或减少联结辅件，来组成更优的联结/连接结构。

实例一

针对某畜禽厂排放的高浓度有机养殖废水，选用某UV-PAA耦合反应器对经过二级处理后的沉淀池出水进行深度处理，该反应器为桶状连续流完全混合反应器，紫外灯管在圆柱中轴线，且在靠近底端配备有一个搅拌器，水力停留时间10分钟，进水大肠杆菌数10⁷CFU/L。利用本专利所开发的一种基于数值模拟的UV-PAA耦合反应器设计优化方法对所述反应器运行情况进行模拟与评估，选取搅拌器转速。

包括如下步骤：

S1确定模拟反应体系的基元反应、反应器详细结构、尺寸信息，并编写对应UDF程序；

测量进水水质，以COD作为污染物的指标，并编写紫外光线源衰减与COD降解动力学的UDF程序。

COD与PAA反应过程浓度变化简化后如下：

其中，C_COD，C_PAA分别为COD与PAA浓度；t为反应时间；k为反应速率常数。

S2根据UV/PAA耦合反应器尺寸并结合进出水、加药口、紫外灯管等结构，确定反应器物理模型，利用Ansys Design Modeler建立几何模型；

S3将上述几何模型导入Ansys Mesh中，确定数值模拟计算域，并根据实际情况，考虑网格数量、质量对几何体进行网格划分，本实施例中网格总数为370964。

S4将上述网格导入Fluent中，对网格再次检查，导入上述紫外柱源衰减与COD降解动力学UDF程序，设置进水口为速度进口，出水口为压力出口，并设定COD、PAA浓度，采用标准k-ε模型进行计算。

本实施例中紫外光源是点光源的集合，采用点源叠加近似法，具体光强分布公式如下

其中，E为某位置光强；∝为吸收系数；P为紫外灯管有效输出功率；L为紫外灯管长度；d为位置到紫外灯管中轴线的距离；h为位置到紫外灯管中心处高度；

若紫外光源是环状微元的集合，积分得光强分布公式如下：

其中，E为某位置光强；P为紫外灯管有效输出功率；L为紫外灯管长度；x₁、x₀分别为紫外灯管轴向的两顶点坐标；θ₀为特征夹角；β为溶液透光率；d为位置到紫外灯管中轴线的距离；x_p、y_p、z_p为位置的三维坐标。

S5将上述计算结果导入Ansys CFD-Post中进行后处理，通过可视化观察分析实际反应过程中流场、紫外强度、氧化剂浓度、污染物浓度的分布变化，如图2到图7所示。结果模型可以准确预测反应器中不同位置流体流态、紫外光强、污染物与氧化剂的分布情况，最终综合考量出水中COD去除率与能耗如图8所示，选定搅拌器转速80rpm，去除率可达99.999％。