电子束辐照水处理反应器的CFD模拟与优化

中国环境科学2017,37(3)：980~988ChinaEnvironmentalScience电子束辐照水处理反应器的CFD模拟与优化丁瑞1,2,茅泽育1*,王建龙3(1.清华大学水利水电工程系,北京100084；2.南京水利科学研究院,江苏南京210029；3.清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084)摘要：以处理量较大的射流式电子束辐照水处理反应器为例,运用计算流体力学方法,以反应器出口水流流速分布均匀为目标,对反应器内部水流的水动力特性及反应器构型对出口水流流速分布均匀性的影响进行了研究,并据此优化反应器的构型.研究结果表明,影响反应器水动力特性的关键构型参数为反应器进口管径、反应器水平收缩段长度和反应器弯曲段构型.反应器进口管道直径越大、水平收缩段长度越大,则反应器出口水流流速分布越均匀.最终确定最优反应器的构型参数为:进口管径0.2m,水平收缩段长度0.45m,反应器弯曲段构型贴合水流运动方向.计算结果表明,最优反应器的水动力条件得到极大改善,反应器出口水流流速分布非常均匀.物理模型试验验证了最优反应器出口水流流速分布的均匀性.关键词：电子束辐照水处理；反应器流体力学特性；计算流体力学；反应器优化；构型参数中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)03-0980-09CFDsimulationandoptimizationofthewatertreatmentreactorbyelectronbeam.DINGRui1,2,MAOZe-yu1*,WANGJian-long3(1.DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China；2.NanjiangHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China；3.InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(3)：980~988Abstract：TheEBreactor(electronbeamwatertreatmentreactor)intheformofnozzlejetwithrelativelylargetreatmentcapacityisselectedastheresearchobjectinthispaper.Bymeansofthecomputationalfluiddynamic(CFD)method,boththehydrodynamicbehaviorandtheinfluenceoftheEBreactorconfigurationontheflowvelocityuniformityatthereactoroutletarestudied,inordertoachieveevendistributionofflowvelocityatthereactoroutlet.Theresultsarethereforeusedtooptimizetheconfigurationofthereactor.ThestudyresultsfortheprimaryEBreactorindicatesthattherearemainlythreekeyconfigurationparametersaffectingthehydrodynamicbehaviorofthereactor,includingthediameterthereactorinlet,lengthofthehorizontalcontractionpartandpatternofthebendingpart.Thelargerthereactorinletdiameterisandthelongerthelengthofthehorizontalcontractionpartis,themoreuniformthevelocitydistributionofthereactoroutletwillbe.Theoptimalreactorconfigurationparametersaredeterminedasfollows:thedimeterofthereactorinletis0.2m,thelengthofthehorizontalcontractionpartis0.45m,andtheconfigurationofthebendingpartshouldfittheflowvelocitydirection.Thenumericalsimulationresultsindicatethatthehydrodynamicconditionsoftheoptimalreactoraregreatlyimproved,andtheflowvelocityofthereactoroutletisevenlydistributed.Physicalmodelexperimentverifiedthesimulationresults.Keywords：electronbeamwatertreatment；hydrodynamicbehaviorofareactor；CFD；optimizationofthereactor；configurationparameter近年来,电子束辐照技术在水处理领域已得到了发展与应用[1-2].电子束辐照处理污水的原理是:水体接受辐照的瞬间发生辐射水解反应,产生3种活性粒子(羟基自由基⋅OH、水合电子-aqe和氢自由基⋅H)与污水中的各种污染物发生物理、化学反应,从而达到净化污水的目的[3-4].电子束辐照水处理效率高,尤其适用于传统水处理方法难以去除的有机污染物的降解[5-6].目前国内外对运用电离辐射技术处理不同类型污水的生物和化学效应,已有深入的研究[7-9],而对电子束辐照水处理反应器流体力学特性的研究较为薄弱[10].收稿日期：2016-07-16基金项目：国际科技合作项目(2011DFR00110)*责任作者,教授,[e-mail]2期丁瑞等：电子束辐照水处理反应器的CFD模拟与优化981流体是水处理反应器中物质和能量传递的主要载体,反应器内的流动特性直接影响和制约反应器的处理效率[11-12].电子束下水流的水动力特性直接决定了水流吸收剂量分布的均匀性,从而决定了电子束辐照水处理的效率.目前对电子束辐照水处理反应器的研究主要采用试验方法简单测量水流的平均流速与厚度[13-25],忽略了水流细部的水动力特性,缺乏系统的对反应器流体力学特性的研究,从而影响和制约了电子束辐照水处理的效率.运用计算流体力学方法可以较为准确和方便的获取水流细部的水动力特性,计算流体力学在氧化沟、流化床、紫外灯消毒等水处理反应器研究与优化方面已得到了广泛应用[26-29].然而,在电子束辐照水处理反应器领域,至今没有相关研究.根据水流流动方式的不同,可将电子束辐照水处理反应器分为瀑布式[15-16]、喷雾式[17-18]、上流式[19-20]、射流式[21-24]和折流式[25]反应器五种类型.根据电子束穿透深度小、扫描宽度大的特点,电子束下水流应是宽度大的薄层水流[15].为使水流吸收剂量分布均匀,水流在电子束下的停留时间应均匀分布,即电子束下薄层水流的厚度与流速应均匀分布.射流式反应器处理量较大,水平射出的水流相对比较容易形成厚度与流速均匀分布的薄层水流,其形态取决于反应器内部水流的水动力特性及反应器本身的构型.本文采用计算流体力学的方法建立三维水动力学模型,研究射流式反应器内部水流的水动力特性,以反应器出口水流流速分布均匀为目标对反应器构型进行优化.1反应器三维水动力数值模型1.1数值模拟反应器的构型反应器出口应为狭长矩形,以形成宽度大、流速与厚度均匀分布的薄层水流;反应器进口应为圆形管道,以方便与进口管道对接.因此,水流从反应器进口到出口,需经历扩散和收缩的过程.过流断面增大引起的水流扩散,容易导致水流流速分布不均匀;而过流断面减小引起的水流收缩,使得流速分布相对均匀;因此反应器应先将进口管道断面扩大,然后平滑且缓慢的收缩断面直到形成狭长矩形截面的出口.由于重力的作用,水流经反应器由下往上流动,容易形成流速较小、紊动强度较弱且更稳定的水流.此外,反应器的过流断面应避免突然的变化.基于以上流体力学的基本原理,与至今对射流式反应器的研究[21-24],确定反应器的初步构型如图1所示.出口⑤④③②①进口YZX侧视图图1初始反应器的构型Fig.1TheconfigurationoftheprimaryEBreactor①为进口管道段,②为竖直扩散段,③为弯曲段,④为水平收缩段,⑤为水平出口段为满足电子束穿透深度和扫描宽度的要求,反应器出口设计厚度H=4mm,出口宽度B=1.5m,反应器出口水流的设计流速V=4m/s.确定初始反应器进口管道直径d=0.12m.1.2控制方程反应器内部水流运动过程中不可压缩,其流动可用不可压缩的连续方程和动量方程描述:0iiux∂=∂(1)21iiijijijjuuupuftxxxxνρ∂∂∂∂+=−+∂∂∂∂∂(2)式中:ρ为流体密度;u为流速;p为压强;f为质量力;ν为运动粘性系数.采用雷诺时均方法(RANS)求解控制方程,即将控制方程中的各物理量U用平均值U和脉动值'U表示(即'UUU=+),求解时均化的雷诺方程.在求解雷诺方程过程中,除了时均项,还产生了脉动流速的相关项''ijuuρ−,又称为雷诺应力.为了求解雷诺应力项以封闭方程组,采用kε−紊流模型:982中国环境科学37卷()()itkijjkkuPtxxxερρμεμρεσ⎡⎤⎛⎞∂∂∂∂+=++−⎢⎥⎜⎟∂∂∂∂⎢⎥⎝⎠⎣⎦(3)()12()()itkijjucPctxxxkερερεμεεμρεσ⎡⎤⎛⎞∂∂∂∂+=++−⎢⎥⎜⎟∂∂∂∂⎢⎥⎝⎠⎣⎦(4)式中:''12iikuu=为紊动动能,''iijjuuxxμερ∂∂=∂∂为紊动耗散率,2tkcμμρε=为紊动粘度,jiiktjijuuuPxxxµ⎛⎞∂∂∂=+⎜⎟⎜⎟∂∂∂⎝⎠为由平均速度梯度引起的压力生成项,模型中相关常数取值为1.0kσ=,1.3εσ=,11.44C=,21.92C=,0.09Cµ=.1.3边界条件为了求解以上封闭的方程组,需要给出合适的边界条件.反应器壁面采用无滑移壁面边界条件;反应器管道进口采用流速进口边界条件,即给定进口的平均流速,进口流速由设计流量和进口断面面积计算得出;出口边界条件设为压强出口,由于水流经反应器出口直接射入空气中,出口压强设为标准大气压.1.4数值离散方法采用有限体积法离散控制方程,即将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,并使每个网格节点周围都有一个控制体积,将待解的微分方程对每一个控制体积积分,便得出一组离散方程.采用SIMPLE算法求解离散形式的控制方程.为提高计算精度,动量方程、k方程和ε方程都采用二阶迎风格式.1.5网格划分反应器结构复杂、且形状不规则,因此应主要采用四面体结构网格.反应器进口管道段①、竖直扩散段②和弯曲段③采用四面体结构网格;反应器水平出口段⑤为规则六面体,采用六面体结构网格;反应器水平收缩段④的Y方向尺寸变化较大,应采用网格尺寸渐变的四面体结构网格.为确定网格划分是否足够精细以获得精确的计算结果,需要对网格数量进行独立性分析.本文主要研究反应器出口水流流速分布的均匀性,因此选择反应器出口水流沿X方向的最大流速uXmax进行收敛性分析,计算结果如图2所示.0501001502002503000.50.60.70.80.91.0uXmax(m/s)Ne(万个)图2初始反应器数值计算的网格独立性分析Fig.2Meshindependencyst