《Journal of Water Process Engineering》：Recent advances and emerging trends in CFD applications for disinfection in water and wastewater treatment: A decade in retrospect
编辑推荐：
•综述了110项关于水和废水消毒的计算流体力学（CFD）研究（2014–2025）。•比较了主要消毒技术中CFD方法的异同。•将模型保真度与输运过程及工程决策相关联。•评估了验证、不确定性、AI辅助代理模型和数字孪生技术。•提出了可扩展且可靠的基于CFD的消毒设计优先方向。引
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综述了110项关于水和废水消毒的计算流体力学（CFD）研究（2014–2025）。
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比较了主要消毒技术中CFD方法的异同。
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将模型保真度与输运过程及工程决策相关联。
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评估了验证、不确定性、AI辅助代理模型和数字孪生技术。
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提出了可扩展且可靠的基于CFD的消毒设计优先方向。
引言
消毒是饮用水和废水处理中关键的屏障措施。氯化、臭氧处理、紫外线（UV）照射、过氧乙酸（PAA）以及基于紫外线的高级氧化工艺（AOP）依赖于流体力学、输运、反应、辐射和微生物灭活的耦合过程。因此，反应器几何形状和流场分布可能影响病原体灭活效果、消毒剂消耗量、能耗以及副产物的生成[1]、[2]。
传统设计方法依赖于停留时间、总体CT值、示踪剂试验、经验关联式或平均紫外线剂量。这些指标可能会忽略短路流、死区、局部需求以及非均匀辐射等问题，导致部分微生物实际接受的暴露量低于总体平均值所暗示的水平[3]、[4]、[5]。计算流体力学（CFD）通过解析空间非均匀的流场和暴露量来解决这一局限性。
CFD最初侧重于水力学表征和RTD（停留时间分布）分析，但现在已与消毒剂衰减、紫外线剂量、臭氧传质和微生物响应相耦合[1]、[2]。然而，其常规应用仍受到计算成本、不确定的动力学和光学参数、验证不一致性以及全尺度数据有限等因素的制约。
自2014年以来，五项发展塑造了消毒CFD的格局：更高保真度的湍流建模；多物理场耦合；更强的数值验证和不确定性感知的验证；基于CFD训练的代理模型用于快速筛选；以及向UV-LED、PAA、AOP、膜/气动提升臭氧、储存和自然系统的扩展[6]、[7]、[8]、[9]。由于其在成本与保真度之间的平衡优势，RANS（雷诺平均Navier-Stokes方程）仍然是常规工程中占主导地位的方法。
先前的综述涵盖了互补的研究范围。Zhang等人[5]综合了至约2013年氯、臭氧和紫外线的CFD应用；Shah等人[10]专注于紫外线水力学、辐照度、几何形状和UV-LED；Samstag等人[1]和Laurent等人[11]讨论了更广泛的废水CFD实践，Sadino-Riquelme等人[12]综述了CFD与动力学的整合，Ha?at等人[13]比较了湍流方法。然而，尚无综述能联合比较当前各种消毒技术在主导物理过程、所需保真度、验证证据、不确定性和工程准备度方面的差异。本综述通过跨技术、面向决策的综合分析来填补这一空白。表1总结了本综述的范围和独特贡献。
文献语料库通过针对Web of Science核心合集、Scopus和Google Scholar的有目标的结构化检索进行汇编，并辅以反向和正向引文追溯。最终检索完成于2026年7月31日。检索将"computational fluid dynamics"（计算流体力学）或"CFD"与消毒及工艺相关术语配对，涵盖氯、臭氧、UV/UV-LED、PAA、AOP、反应器/接触池、RTD、辐射、传质、微生物灭活、不确定性、机器学习和数字孪生。主要综述期为2014–2025年。
当CFD直接表征水动力学、输运、辐射、气液传质、微生物灭活或相关的水/废水消毒性能时，同行评审的期刊文章被纳入研究范围。没有CFD组成部分、缺乏明确水处理相关性或过程信息不足的研究被排除在定量语料库之外。综述文章、指南、书籍、选定的会议论文、学位论文和2014年之前的里程碑文献仅用于提供背景信息。在全文评估之前先进行标题/摘要筛选；模糊的分类由作者审阅解决。
每篇符合条件的出版物根据其主导工艺计入UV/UV-LED、氯、臭氧或新兴/其他类别一次。研究还按CFD方法、尺度、质量兴趣（QoI）、验证证据、主导不确定性和工程应用进行了编码。因此，图1是所综述语料库的描述性分布，而非详尽的文献计量普查。
在本综述中，"正确保真度"（right fidelity）指的是选择最简单的模型，其数值精度、物理表征和验证证据足以在指定的操作域内满足特定工程质量兴趣（QoI）的要求。保真度包括水动力学、辐射、反应动力学、传质和暴露采样；仅提高湍流分辨率并不一定能改善决策。本综述的贡献在于建立一套跨技术的通用工作流，将建模选择与所需证据和预期用途相联系，而非提出新的数值求解器或通用精度阈值。
该框架包含五个步骤。第一步，在选择模型之前，定义决策、QoI、操作范围和可接受的误差或决策裕度。第二步，识别最可能控制该QoI的过程和不确定输入。第三步，选择可行的基线公式，并验证网格、时间步长和采样的充分性。第四步，使用独立于标定的测量值验证控制性组件和集成结果，并评估不确定性是否可能改变决策。第五步，当证据充分时保留基线模型；否则改进控制性子模型、获取更多测量数据或将结论限定在更窄的操作域内。
例如，RANS配合保守示踪剂输运可以支持比较氯接触池挡板方案，但预测绝对灭活效果还需要额外的残余氯和微生物响应证据。同样，更精细的湍流分辨率无法解决不确定的紫外线光学特性或臭氧传质闭合关系。当不确定性阻碍了对备选方案的可靠排序时，应报告这一局限性，而非通过增加模型复杂性来掩盖。图2将该框架应用于紫外线水力学和辐射保真度，表3提供了各技术特定的模型和验证选择，第7.3节区分了筛选、过程预测、监管支持和运营所需的不同证据类型。
第2节总结数值和AI辅助方法。第3节CFD在紫外线消毒中的应用、第4节CFD在化学消毒中的应用、第5节CFD在新兴消毒技术中的应用，使用共同的"正确保真度"和证据框架评估紫外线、化学和新兴消毒应用。第6节整合了验证、确认、不确定性和报告要求。第7节将综合分析转化为专业指导、从业者决策层级、部署障碍和研究优先方向，第8节总结主要结论。
章节摘要
CFD建模技术的进展
成功进行水和废水消毒的CFD模拟需要根据主导物理过程、工程目标和可用计算资源适当选择数值方法。不应不加区分地采用日益复杂的模型，模型保真度应与应用的复杂性相匹配。本节回顾了近期消毒研究中使用的CFD主要方法，并讨论了其优势，
CFD在紫外线消毒中的应用
紫外线系统是CFD研究最为广泛的消毒应用，因为其性能耦合了水动力学、辐射、暴露历史和微生物响应。在Shah等人[10]紫外线特异性综合分析的基础上，本节强调2014–2025年间在模型保真度、不确定性感知验证、UV-LED系统、CFD辅助优化以及变工况运行方面取得的进展。
CFD在化学消毒中的应用
化学消毒CFD将水动力学与反应、衰减、需求以及臭氧的气液传质相耦合。因此，主导不确定性因消毒剂而异：基质依赖的氯需求、多相臭氧传质与化学以及变化的PAA动力学。以下各节强调这些不同过程的模型保真度和验证要求。
CFD在新兴消毒技术中的应用
除了常规的紫外线和化学接触反应器外，CFD越来越多地应用于高级和扩展消毒应用，包括VUV/UV光反应器、基于紫外线的高级氧化工艺（AOP）、电化学系统、储存基础设施中的残余消毒剂管理以及自然或低能耗处理系统。这些应用将建模问题扩展到反应器水力学之外，涉及复杂的辐射场、自由基反应网络和近壁
验证、确认、不确定性量化和报告实践
可信的CFD应用不仅需要模拟和测量的出口响应之间达成一致。数值验证评估控制方程是否以可接受的离散化、迭代、时间和统计误差进行求解。确认评估所选的物理和过程模型是否重现了与预期工程QoI相关的独立测量值。标定利用选定数据估计不确定参数，不应将其呈现为
专业指导、工程实践和部署差距
CFD在水和废水消毒中的应用已从学术探索扩展到部分工程设计、改造和运营研究。这一转变得益于专业指导、计算资源的改进以及商用和开源CFD软件的可及性提高。然而，采用程度仍不均衡，因为模型复杂性、验证数据需求、技术专长和监管期望之间存在较大差异
结论与未来研究优先方向
2014–2025年的文献显示了一个从水力学诊断向消毒性能耦合预测的明显转变。RTD和总体水力学指标对于筛选短路流和死区仍然有用，但可信的过程预测越来越多地需要辐射、反应性输运、多相传质或微生物响应模型。扩展后的应用空间现在除了常规的氯处理外，还包括UV-LED、PAA、AOP、储存/分配和自然系统
CRediT作者贡献声明
Jie Zhang：撰写——初稿，形式分析，概念化。Badhan Neogi：撰写——审阅与编辑，调查研究。Edward Wicklein：撰写——审阅与编辑，可视化。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。
Jie Zhang|Badhan Neogi|Edward Wicklein
