為了開(kāi)始解決前yi章提出的研究問(wèn)題，需要了解HDH海水淡化循環(huán)以及每個(gè)組分的貢獻(xiàn)。在這方面，需要開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。借助該模型，可以評(píng)估操作參數(shù)的影響以及氣候條件的變化對(duì)整體性能的影響。還可以識(shí)別系統(tǒng)的相對(duì)益處和缺點(diǎn)，因此可以改善系統(tǒng)能量性能。

如第1章所述，系統(tǒng)配置的選擇主要取決于系統(tǒng)的環(huán)境條件。對(duì)于這項(xiàng)研究，考慮了新西蘭典型夏季的氣候條件。假設(shè)平均輻射量為1000WW/m?2，平均風(fēng)速為5m/s，壓力為1個(gè)大氣壓，平均海水溫度（海水淡化）為15°C，環(huán)境空氣溫度為20°C?，相對(duì)濕度為50％。另外，假設(shè)純水的性質(zhì)適用于脫鹽的海水。

2.2。HDH海水淡化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

為了實(shí)現(xiàn)高效的HDH海水淡化系統(tǒng)，選擇了“露天/開(kāi)放水，5個(gè)循環(huán)。如圖19所示，提出的主要組成部分

21

太陽(yáng)能HDH海水淡化系統(tǒng)是太陽(yáng)能熱水器，加濕器，冷凝器和省煤器。水被加熱并且為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，加濕器被認(rèn)為是具有逆流空氣和水流模式的長(zhǎng)通道。這種配置將減少沉降對(duì)加濕器性能的影響，同時(shí)減少循環(huán)空氣和水所需的能量。提出了yi種用于冷凝器的氣液?jiǎn)瓮ず碗p通管換熱器，其在空氣和水流上具有小的壓降，因此降低了輸入系統(tǒng)的能量。

圖19.建議的太陽(yáng)能加熱HDH海水淡化裝置考慮到海水作為冷卻液并假設(shè)冷凝器中的濕空氣有效冷卻，預(yù)計(jì)排氣的能量和水分含量低于環(huán)境空氣的能量和水分含量。在此基礎(chǔ)上，空氣流的開(kāi)放循環(huán)似乎適合于該系統(tǒng)。包括空氣和水流的強(qiáng)制循環(huán)。

22

在冷凝器中產(chǎn)生飲用水，其中來(lái)自加濕器的濕空氣被冷卻流體冷卻。如圖20所示？穿過(guò)冷凝器的空氣比濕度的變化決定了產(chǎn)生的淡水量。

（S>1/3^^}PF-HsnK^nosqv

1020304050

干球溫度（°C）

圖20.加濕除濕脫鹽過(guò)程的濕度循環(huán)

2.3。模型開(kāi)發(fā)

如圖19所示，擬議的HDH海水淡化系統(tǒng)包括四個(gè)主要部分：太陽(yáng)能集水器，冷凝器，加濕器和節(jié)能器。以下部分詳細(xì)介紹了為每個(gè)組件開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型。

2.3.1。太陽(yáng)能集熱器

平板太陽(yáng)能集熱器已廣泛用于HDH和其他海水淡化方法[71-741。yi個(gè)簡(jiǎn)單的雙層玻璃平板太陽(yáng)能集熱器是選擇并建模為加熱器。

（7）

集電*總熱損失系數(shù)（U〇?。┦堑撞浚吘壓晚敳康臒釗p失系數(shù)的總和。底部和邊緣熱損失系數(shù)可以分別從等式8和9計(jì)算。

2.3.2。冷凝器和省煤器

冷凝器被建模為氣液?jiǎn)瓮ず碗p通管熱交換器。這些熱交換器以前曾用作HDH海水淡化系統(tǒng)中的除濕機(jī)[15,77]。對(duì)于管殼式換熱器，有效性NTU方法可用于確定出口流體的條件，如公式13和14[78]所示。冷凝器和省煤器都被認(rèn)為是*熱的。

（14）

實(shí)際傳熱速率Qntu?是有效性和zui大可能能量增益的乘積，如公式15所示。

（15）

等式16可用于計(jì)算所獲得的zui大可能能量。

（16）

現(xiàn)在，冷凝器的總傳熱系數(shù)可以通過(guò)公式19[78]確定。

（19）

類(lèi)似的液–液熱交換器用作節(jié)熱器。再yi次，有效性–NTU方法用于確定來(lái)自省煤器的流體的出口條件。方程式20用于確定節(jié)能器的有效性，因?yàn)闆](méi)有相變。

其中，c是容量比，如公式21所示。

（21?）

并且（mcpjmax?是空氣和水的熱容率中的較大者。

2.3.3。加濕器

選擇yi個(gè)簡(jiǎn)單的加濕器，包括yi個(gè)矩形橫截面的水平長(zhǎng)管道，如圖21所示。在這個(gè)加濕器中，水沿著通道的底部流動(dòng)，在水面上方有yi個(gè)反氣流。由于加濕器在中等溫度下運(yùn)行，因此將其建模為*熱系統(tǒng)。

28

鹽水溫暖的海水

圖21.具有矩形橫截面的長(zhǎng)通道加濕器的示意圖

質(zhì)量和能量守恒以及熱量和質(zhì)量傳遞的相關(guān)性決定了空氣和水流的出口條件。能量守恒由公式22給出。

（25）

對(duì)于矩形管道內(nèi)的流動(dòng)，特征長(zhǎng)度是管道的水力直徑，空氣–水系統(tǒng)的質(zhì)量擴(kuò)散速率（/l?a?–?w）可以從公式26[80]確定。

（26）

其中，壓力（P）在大氣壓（atm），溫度（7）在開(kāi)爾文（K）。為了確定舍伍德數(shù)，我們**需要利用我們對(duì)傳熱過(guò)程的理解。在這方面，空氣和水之間的總傳熱速率是對(duì)流，蒸發(fā)和輻射傳熱的總和。由于系統(tǒng)在中等溫度下運(yùn)行，輻射傳熱可以忽略不計(jì)。對(duì)流和蒸發(fā)傳熱速率可分別由方程式27和28確定。

（28）

對(duì)流傳熱系數(shù)（h?cv）可以確定為等式29中給出的努塞爾數(shù)的函數(shù)。

（29）

對(duì)于流過(guò)水面的氣流，考慮了不對(duì)稱(chēng)加熱矩形通道的條件。因此，對(duì)于模型的縱橫比，

在湍流條件下，Nusselt數(shù)由方程式30[79]給出，假設(shè)通道內(nèi)流動(dòng)的臨界雷諾數(shù)為2300[79]。

（30）

假設(shè)HDH海水淡化系統(tǒng)在低溫和大氣壓下運(yùn)行，Chilton-Coburn類(lèi)比適用于本研究的條件[79]。因此，等式24和25中提到的傳質(zhì)系數(shù)（/）可以從等式31[81]中給出的類(lèi)比確定。

（31）

（32）

由于傳熱和傳質(zhì)是類(lèi)似的，因此湍流條件下的舍伍德數(shù)可由公式32定義。

SH=?？0.023/E°–?8?5C?1?/?3

2.4。計(jì)算解決方案

本章的目的是模擬HDH海水淡化系統(tǒng)，分析其對(duì)運(yùn)行和氣候條件的產(chǎn)量敏感性，并確定可能改進(jìn)的領(lǐng)域。工程方程求解器（EES）[82]用于確定流體屬性并解決前幾節(jié)中開(kāi)發(fā)的方程組。

為此，模型的輸入是操作參數(shù)，如海水溫度，環(huán)境空氣溫度和濕度，空氣和水流量，風(fēng)

31

速度和總?cè)肷漭椛洹Ｈ鐖D22所示，使用迭代方法為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)解決方案。為了達(dá)到解決方案，該模型估計(jì)離開(kāi)加濕器的空氣和水的溫度，并檢查出口空氣和水的估計(jì)值之間的差異。溫度和迭代后的計(jì)算值。當(dāng)它們之間的差異小于0.01℃時(shí)，實(shí)現(xiàn)了解決方案。

對(duì)于冷凝器和節(jié)熱器的出口條件求解方程式13至21。隨后，該模型通過(guò)同時(shí)求解太陽(yáng)能熱水器的出口條件的等式1至12來(lái)確定加濕器的入口條件。

32

圖22.用于模型的算法的流程圖

33

在加濕器內(nèi)部，傳熱和傳質(zhì)系數(shù)隨蒸汽壓力和溫度而變化。為了對(duì)此進(jìn)行建模，將加濕器分成yi系列有限元，如圖23所示。假設(shè)條件在每個(gè)區(qū)間內(nèi)是恒定的。

RH0！

鉭〇！

RH0！

Ta0！

RH0i

的TaO

RH0iTa?！

！

?，…………>，–“我……..

,,?，N

>/…………>?

1

1

，^?^，

1

yi世

牛逼w^?0！

T?w?0！

TW?〇！

Tw?！

w^

潮濕的空氣

溫暖的海水

需要迭代解決方案來(lái)確定來(lái)自加濕器的出口空氣和水的條件。為了實(shí)現(xiàn)這yi點(diǎn)，該模型**將排出的水溫估計(jì)為入口空氣的濕球溫度，然后針對(duì)每個(gè)間隔的出口條件求解方程式22至32。為該迭代定義的收斂標(biāo)準(zhǔn)是離開(kāi)太陽(yáng)能水收集器的水的溫度與加濕器的入口水的計(jì)算溫度之間的差值，其被認(rèn)為是0.01℃。

圖23.沿加濕器的每個(gè)區(qū)間的條件變化很明顯，較短的區(qū)間將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的更好準(zhǔn)確性。然而，這增加了間隔的數(shù)量并且顯著增加了計(jì)算時(shí)間。測(cè)試了間隔大?。ㄒ约伴g隔數(shù)）的影響，并且該分析的結(jié)果顯示在圖24中?；诖耍_定lw的間隔將產(chǎn)生足夠的精確度用于該工作。

間隔長(zhǎng)度（m）

圖24.間隔長(zhǎng)度對(duì)加濕器計(jì)算結(jié)果精度的影響

2.5。模型的結(jié)果

為基準(zhǔn)溶液，它被假定HDH模型將使用兩個(gè)雙層玻璃的太陽(yáng)能熱水器，提供4的吸收體區(qū)域米2，以提供所需的熱輸入。加濕器將提供1:1的總蒸發(fā)面積米2。兩個(gè)管殼式換熱器，每yi個(gè)都提供1.6的轉(zhuǎn)印區(qū)域米2，被認(rèn)為是除濕器和節(jié)能器。設(shè)計(jì)參數(shù)的更多細(xì)節(jié)如表1所示。

表1.設(shè)計(jì)參數(shù)

水收集器

加濕器

聚光器

省煤器

Ng，col

2[?]

^?hmd

1[m?2?J.

NT，標(biāo)準(zhǔn)條件

2?〇[

中號(hào)

IY?[RF經(jīng)濟(jì)艙

2?〇[

T，COl

2?〇[-J

Lhmd

10[m]

Nbf’cond

19[_]

Nbf，econ

19[–]

d?〇，噸，〇升

0.0127[m]

^hmd

0.1[m]

^o，x，cond

0.0127[m]

^o，x，econ

0.0127[m]

d我，T，c〇我

0.01181[m]

^hmd

0.05[m]

d我，?，?〇第二

0.01181[m]

Di，T，eC〇n

0.01181[m]

為了理解某些參數(shù)如何影響系統(tǒng)的性能，

進(jìn)行了敏感性分析。飲用水生產(chǎn)對(duì)海水和環(huán)境空氣溫度，空氣和水流速，總輻射的敏感性，

35

加濕和冷凝區(qū)域進(jìn)行了評(píng)估。表2給出了這些變量的范圍及其標(biāo)稱(chēng)值。

表2.靈敏度分析的自變量的范圍和名義值

變量

單元

范圍

面值

加濕器表面積（Ahmd）

（m?2）

0.2至0.4

1

冷凝器表面積（A〇ND）

（m?2）

0.8到2.4

1.6

空氣流動(dòng)速率（V?〇）

（m?3?/s）

0.003至0.03

0.005,0.03

水流量（V?W）

（m?3?/s）

1.5XL?〇–?5?to5xl0?5

3XL?〇–?5

進(jìn)氣溫度（Ta，in）

（°Q

10至30

20

進(jìn)水溫度（T?w，m）

（°Q

10至30

15

總輻射（Gt）

（W/m?2）

300至1300

1000

。9?。8?。7?。6?。5?。4?。3.2

（Jll.u.213n?力ojj

如圖25所示，增加總輻射線性地增加了系統(tǒng)的產(chǎn)量。增加總輻射導(dǎo)致更高溫度的水進(jìn)入加濕器，因此導(dǎo)致加濕器中更有效的加濕。

0.10

20030040050060070080090010001100120013001400

總輻射，G?t（W/m?2）

圖25.飲用水的生產(chǎn)率與總輻射的關(guān)系在圖26中，給出了改變?nèi)肟诤Ｋ疁囟葘?duì)飲用水生產(chǎn)的影響。增加入口海水溫度會(huì)增加系統(tǒng)的總輸入能量，但海水也必須冷凝來(lái)自加濕器的潮濕空氣。結(jié)果表明，增加進(jìn)水海水溫度會(huì)降低海水溫度

36

生產(chǎn)率。此外，太陽(yáng)能收集器中較高的水溫會(huì)增加對(duì)環(huán)境的能量損失。

0.9

。8?。7?。6?。5?。4?。3.2?0.0.0.0.0.0.0。

（Jqs/^）JpnlJOJj

■

“

V?yi個(gè)?=0.02米3?/秒V?瓦特?-3xl?〇‘?5米3?/秒噸二1000W/米2yi個(gè)，在?=20?〇?AHMD=LM?2

Acond=1.6m?2

–

–

–

—

–

_

J_

，

，

，

■

，

0.10

81012141618202224262830323436

入口水溫，T?Wyin（°C）

圖26.飲用水的生產(chǎn)率與進(jìn)水溫度的關(guān)系如圖27所示，增加水流量會(huì)降低飲用水的產(chǎn)量。這是因?yàn)楣┙o系統(tǒng)的水量較大，降低了太陽(yáng)能集熱器的溫度變化。因此，水在較低溫度下進(jìn)入加濕器，并且導(dǎo)致較少的蒸發(fā)并因此產(chǎn)生較低的淡水。

OI

1?。9?。8?。7?。6?。5?。4?。3.2?（Jn^m/351）uojpn?力ojj

?

1.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.855.2

-5

水流量，V?w（m?3?/s）

圖27.飲用水的生產(chǎn)率與水的體積流量的關(guān)系

×10

37

在較高的水溫下，預(yù)計(jì)超出飽和狀態(tài)的明顯加熱，而為了發(fā)生冷凝，需要將過(guò)熱的空氣冷卻至露點(diǎn)以下，這意味著可能需要額外的冷凝區(qū)域。

如圖28所示，將氣流速率增加到0.02?m?2?/s會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量顯著增加，但超過(guò)此范圍，產(chǎn)量增加不明顯。這可以通過(guò)以下事實(shí)來(lái)解釋?zhuān)涸黾託饬魉俾释ㄟ^(guò)連續(xù)供應(yīng)新鮮空氣來(lái)增加水分承載能力，但也減少了加濕器和冷凝器中的空氣的溫度變化。因此，通過(guò)增加氣流速率，濕氣溫度在加濕器的出口處下降，而來(lái)自冷凝器的排氣的溫度增加。這些zui終會(huì)降低淡水生產(chǎn)率。

空氣流量，V?a（m?3?/s）xl?°?200.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.2

圖28.飲用水的生產(chǎn)率與空氣的體積流量的比率現(xiàn)在在圖29中可以看出，隨著環(huán)境空氣溫度的升高，飲用水的產(chǎn)量會(huì)增加。這是由于在較高溫度下空氣的較高的水分承載能力，并且還由于水流的顯著加熱而改善了蒸發(fā)過(guò)程。這種明顯的加熱也增加了

38

排出水的溫度，由經(jīng)濟(jì)器中的入口水回收。結(jié)果，增加了加濕器入口水的溫度，這也增加了蒸發(fā)速率并增強(qiáng)了系統(tǒng)的生產(chǎn)。

.7i.5.40.0.0.0。

（Jq.m/^）u.2t3IH}OJj

1618202224262830323436

進(jìn)氣溫度，T?ttf?i?n（°C）

圖29.飲用水的生產(chǎn)率與環(huán)境空氣溫度的關(guān)系

以前注意到冷凝器面積可能是yi個(gè)重要因素。在圖30中，可以看出，將冷凝面積增加到2m?2會(huì)導(dǎo)致飲用水產(chǎn)量的增加，然而，超過(guò)該值，產(chǎn)量沒(méi)有顯著增加。提供更大的冷凝區(qū)域允許水和空氣流之間的更多熱傳遞，但來(lái)自冷凝器的排出空氣的溫度以及因此冷凝速率受到冷凝器入口水溫的限制。

39

0.9

8?–?7?–?6?–?5?–?43?–?2?l。°–?0?–?0?–?0?–?0?–?0?–?0?–?0?–

（Jn.m/§>?。﹗.2pnI>OJplh

V?yi個(gè)?=0.02米3?/s的V?瓦特?=3XL?〇–?5米3?/式T?瓦特，在?=15?〇（CT）yi個(gè)，在?=20?〇CG?噸?=1000瓦/米2?甲HMD?=LM?2

0.60.811.21.41.61.822.22.42.6

冷凝器表面積，A?con（?i?（m?2）

。9?。8?。7?。6?。5?。4?。3?。2.1?（Jq.m/^）u.2pnl>OJplh

00.20.40.60.811.21.41.61.822.2

加濕器表面積，（m?2）

圖31.飲用水的生產(chǎn)率與蒸發(fā)面積的比率這通過(guò)保持液體表面和本體流之間的蒸汽壓差來(lái)增加蒸發(fā)速率。然而，明顯的加熱是有限的

40

圖30.飲用水的生產(chǎn)率與冷凝面積的關(guān)系加濕器尺寸的影響如圖31所示。將加濕面積增加到1.4?m?2會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量顯著增加，超過(guò)該值，生產(chǎn)率僅略有增加。增加加濕面積允許通過(guò)水更加明智地加熱氣流。

通過(guò)入口水溫到加濕器。因此，增濕區(qū)域的增加導(dǎo)致產(chǎn)量的增加減少。

V?yi個(gè)=?0.02米3?/s的V?瓦特?=3XL?〇–?5米3?/秒

T?w，in?=15°CT?a，in?=20°CG?t?=1000W/m?2A?con?d=1.6m?2

現(xiàn)在對(duì)于簡(jiǎn)單的HDH海水淡化系統(tǒng)，長(zhǎng)通道加濕器是yi個(gè)很好的解決方案。然而，需要大面積的加濕來(lái)實(shí)現(xiàn)合理的飲用水生產(chǎn)率。這增加了總尺寸并因此增加了單元的成本。相反，通過(guò)改善傳熱和傳質(zhì)系數(shù)，可以增強(qiáng)加熱和加濕過(guò)程并zui終提高系統(tǒng)的產(chǎn)量。如圖32所示，對(duì)于相同的加濕區(qū)域，如果在假想的加濕器中傳熱系數(shù)和質(zhì)量傳遞系數(shù)可以增加50％，則飲用水的產(chǎn)量將顯著增加。這表明需要探索實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移系數(shù)增加的方法。

00.20.40.60.811.21.41.61.822.2

加濕器表面積，（m?2）

圖32.HDH產(chǎn)生與增強(qiáng)的傳熱和傳質(zhì)系數(shù)的比較

2.6。章節(jié)結(jié)論

在本章中，開(kāi)發(fā)了使用長(zhǎng)管道加濕器的太陽(yáng)能HDH海水淡化的簡(jiǎn)化模型。評(píng)估了系統(tǒng)產(chǎn)水的靈敏度

41

在氣候條件和操作參數(shù)方面。結(jié)果表明，加濕器中的空氣和水溫較高，蒸發(fā)面積增大，傳熱傳質(zhì)強(qiáng)度提高，加熱和加濕過(guò)程得到改善，從而改善了系統(tǒng)的生產(chǎn)。另yi方面，增加冷凝面積以及具有較低的海水溫度增強(qiáng)了冷凝過(guò)程，這也增加了系統(tǒng)的產(chǎn)量。模型的結(jié)果表明，生產(chǎn)率主要受加熱和加濕過(guò)程而不是除濕過(guò)程的影響，特別是加濕器中的傳熱和傳質(zhì)。

因此，為了開(kāi)發(fā)yi種有效的太陽(yáng)能HDH海水淡化系統(tǒng)，第1章中提出的研究問(wèn)題被改進(jìn)為：

如何開(kāi)發(fā)yi種簡(jiǎn)單的加濕器，以有效的方式混合空氣和水，以增強(qiáng)傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象？

42

第3章：在交叉流動(dòng)的空氣流中降低水頁(yè)■表征流量

制度下

3.1。介紹

在前yi章中已經(jīng)表明，改善加濕器中的傳熱和傳質(zhì)過(guò)程有可能顯著改善HDH海水淡化系統(tǒng)的性能?？紤]到熱量和質(zhì)量交換器中液體和氣體流的有效混合增加了熱量和質(zhì)量傳遞的強(qiáng)度，許多研究已經(jīng)檢驗(yàn)了填充床和噴霧塔的有效性[83-92]。這些增加了蒸發(fā)面積并提供了改進(jìn)的氣體和液體混合，然而，它們通常需要相當(dāng)大的功率輸入以將空氣吹過(guò)填充材料并在加濕器上噴水。在HDH系統(tǒng)中，水流通常是溫暖和咸的，這可能會(huì)產(chǎn)生沉積物并阻塞填充床的孔隙或噴霧塔的噴嘴[70]。第2章介紹的長(zhǎng)通道加濕器是解決沉淀問(wèn)題的好方法。然而，由于空氣和水之間缺乏有效的相互作用，熱量和質(zhì)量傳遞的強(qiáng)度很弱。因此，需要開(kāi)發(fā)yi種加濕器，其能夠以低功率輸入更好地混合空氣和水，并且對(duì)沉降不太敏感。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，建議空氣和水的相互作用應(yīng)該以交叉流動(dòng)配置發(fā)生，其中水平管道的氣流穿過(guò)垂直的落水板。

43

在這方面，在圖33中示意性地示出的*聯(lián)加濕器，其中下落的水片間歇地與水平流動(dòng)的空氣流混合，可以顯著改善轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。這將構(gòu)成對(duì)該要求的非常簡(jiǎn)單的解決方案并且可能消除加濕器中的沉降問(wèn)題，因?yàn)樵谕斜P(pán)表面上可能發(fā)生任何可能的沉降，這不會(huì)影響傳熱現(xiàn)象。Kraft等人[93]介紹了yi種與此類(lèi)似的*聯(lián)加濕器？增加海水淡化系統(tǒng)的加濕面積，但在他們的研究中沒(méi)有考慮下降水的影響。

圖33.具有橫流和逆流的*聯(lián)加濕器的建議示意圖

互動(dòng)

如圖33所示，所提出的*聯(lián)加濕器中存在兩種主要的相互作用類(lèi)型;?逆流和橫流。逆流相互作用實(shí)際上與矩形管道中的相互作用相同，矩形管道在第2章中進(jìn)行了建模和討論。但是，對(duì)于空氣與下落的水流的橫流接觸似乎做的很少，從概念上講，它似乎是yi種非常有效的相互作用方式，可以改善傳熱和傳質(zhì)。

靜止和移動(dòng)氣流中的液體下降具有多種不同的應(yīng)用，包括幕涂，噴霧和霧化，曝氣和液體介質(zhì)中的氣體吸收。大量研究已經(jīng)研究了液體下降的行為，沒(méi)有任何氣體交叉流[94-100]。同樣，許多研究也有

44

檢查了氣體共流的液體薄片的行為以及橫流中的環(huán)形射流[101-103]。Bolanos-Jimenez等。[104]對(duì)平行流動(dòng)情況下的空氣和水板的行為進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。他們報(bào)告了yi種“冒泡”狀態(tài)，導(dǎo)致氣片周期性破裂，以及“噴射”狀態(tài)，兩種薄片都在下游緩慢進(jìn)化而沒(méi)有破裂。他們認(rèn)為，這兩種制度的形成取決于兩個(gè)參數(shù)，即：水的韋伯?dāng)?shù)和空氣與水之間的速度比。

Ng等人。[105]對(duì)他們稱(chēng)之為“帶有氣體橫流的圓形非湍流液體射流的袋子破裂”進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。他們發(fā)現(xiàn)，由于氣體交叉流，在射流中會(huì)形成yi系列柱狀波。并且可變波頻率引起不穩(wěn)定性。據(jù)報(bào)道，主要的分裂過(guò)程是由于橫流的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，而不管液體射流內(nèi)的初始干擾。

Brown[106]將其擴(kuò)展到液體薄片流，研究了yi個(gè)薄片液體離開(kāi)槽并撞擊移動(dòng)的固體表面的行為。據(jù)報(bào)道，除非槽外的液體速度大于2?y//m，否則液體板在靠近槽的區(qū)域會(huì)不穩(wěn)定，其中y/?是液體的表面張力，m?是水質(zhì)量流量率。發(fā)現(xiàn)該片材對(duì)于韋伯?dāng)?shù)大于1的穩(wěn)定性。Becerra等。[107]還對(duì)粘彈性液體薄片的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并報(bào)告說(shuō)，對(duì)于低于0.94的韋伯?dāng)?shù)，液體薄片將不穩(wěn)定。

盡管已經(jīng)開(kāi)始研究降低液體薄片流和圓形液體射流的交叉流，但似乎沒(méi)有研究評(píng)估

45

當(dāng)液體薄片落下時(shí)，熱量和質(zhì)量傳遞強(qiáng)度暴露在氣體交叉流中。

因此，決定研究和理解交叉流相互作用對(duì)熱量和質(zhì)量傳遞強(qiáng)度的影響，以提高HDH系統(tǒng)的產(chǎn)量。在這樣做時(shí)，預(yù)期當(dāng)改變系統(tǒng)中的空氣和水的速度時(shí)會(huì)發(fā)生各種流動(dòng)狀態(tài)。在其他兩相流中，這些流動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致不同的傳熱和傳質(zhì)特性，并且認(rèn)為這可以通過(guò)這種流動(dòng)組合發(fā)生。本章介紹了這些流態(tài)的調(diào)查，識(shí)別和評(píng)估，以便更*入地分析其傳熱和傳質(zhì)特性。

3.2。實(shí)驗(yàn)方法：流動(dòng)方案的表征

開(kāi)發(fā)了yi項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究來(lái)表征交叉流配置中的流動(dòng)行為。在這些實(shí)驗(yàn)中，將yi片水注入矩形空氣通道，如圖34所示。使用寬度等于空氣通道寬度的開(kāi)槽噴嘴產(chǎn)生水板，因?yàn)樗峁┝藢?duì)水的控制。片材的厚度和方向。雖然這不是通過(guò)堰上的*聯(lián)流產(chǎn)生的薄片，如圖33所示，但它提供了更好的實(shí)驗(yàn)控制并反映了流動(dòng)相互作用。開(kāi)槽噴嘴是由兩個(gè)精細(xì)研磨的不銹鋼板形成，提供0.5的均勻厚度毫米穿過(guò)噴氣機(jī)出口。選擇不銹鋼是因?yàn)樗臒崤蛎浵禂?shù)低，確保噴射器的厚度在yi定的水溫范圍內(nèi)保持合理的恒定。升高的蓄水池用于為噴射器提供恒定的壓頭，其中該貯存器的高度是可調(diào)節(jié)的，以便提供yi系列流速。水流量是

46

通過(guò)測(cè)量已知質(zhì)量的水通過(guò)噴嘴所花費(fèi)的時(shí)間來(lái)確定。為了提供橫流，通過(guò)變速軸流式風(fēng)扇將空氣引導(dǎo)通過(guò)管道，zui大容量為280rr/hr。管道的尺寸為100?毫米的寬度，高度可在30和100?毫米之間調(diào)節(jié)。通道高度是可調(diào)節(jié)的，因此也可以評(píng)估下降高度對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響。對(duì)于每次測(cè)試，氣流速率是通過(guò)使用穿過(guò)管道的皮托管靜態(tài)探針和差壓計(jì)進(jìn)行的測(cè)量來(lái)確定的。附錄A詳細(xì)說(shuō)明了與實(shí)驗(yàn)中測(cè)量結(jié)果相關(guān)的不確定性。

該實(shí)驗(yàn)的主要目的是檢查和表征橫流配置中水板的行為，因此，使用兩個(gè)相機(jī)（NikonD300和NikonD3300）來(lái)捕獲空氣和水相互作用的圖像。如圖34所示，安裝第yi個(gè)（攝像機(jī)1）以捕獲側(cè)視圖像，而第二個(gè)（攝像機(jī)2）用于捕獲水板的剖面圖像。

為了理解水和空氣相互作用的行為，決定自己研究掉水的行為。因此，實(shí)驗(yàn)是

47

分兩步進(jìn)行;?**，通過(guò)在沒(méi)有交叉氣流（靜止空氣）的情況下改變水流速，其次通過(guò)改變各種水流速下的氣流速率。

3.3。結(jié)果：靜止空氣中的水床

水片材在暴露于空氣的靜態(tài)行為進(jìn)行了研究?jī)蓚€(gè)下降高度（36和48?MM）與來(lái)自0.75xl改變水流速率〇-5至5×10?〇-5?米8?/秒。選擇該流速范圍以證明在停滯空氣中下降的水流的所有可能的流動(dòng)狀態(tài)。水的性質(zhì)在平均水溫下測(cè)定。表3中給出了實(shí)驗(yàn)條件。

表3.觀察靜止空氣流動(dòng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)條件_

噴嘴寬度（W〇z）的

（所）

0.1

噴嘴厚度（TH〇z）的

〇）

0.0005

水流量（V?W）

（m?3?/s）

0.75xl?〇–?5?TO5^10?5

水溫（T?W）

CQ

15

墜落高度（Hf）

〇）

0.036;?0.048

注意到在這些條件下，水板的幾何形狀取決于通過(guò)噴嘴的水流速以及通道中的下落高度。重力和阻力在垂直方向上起作用，使得重力將加速流動(dòng)，而阻力試圖減緩壁上的下落液體。沿著噴嘴的寬度，粘度影響速度分布，并且表面張力起作用以zui小化流動(dòng)的能量狀態(tài)。

值得注意的是，在靜止空氣中，無(wú)論水流量如何，水板都是穩(wěn)定的。根據(jù)落下高度和通過(guò)噴嘴的流量，穩(wěn)定的板材本身提供五種不同的幾何形狀。**，如圖35a所示，通過(guò)提供高水流量，在沒(méi)有氣流的情況下形成液體薄片。

48

速率，從而形成yi個(gè)跨越管道整個(gè)寬度的穩(wěn)定板材。隨著流速降低，對(duì)于固定的噴嘴寬度和管道高度，流量通過(guò)另外四種方式轉(zhuǎn)變，稱(chēng)為“梯形”（圖35b，c和d）？?C?Vsheef（圖35e）？?5?Y片5（圖35f），zui后是’手指流5（圖35g和h）。為了捕獲這些圖像，將攝像機(jī)（NikonD3300）沿管道軸向安裝。

圖35.水流狀態(tài)從全寬片到手指流的變化（在秋天高度0.036米處）;?yi）全寬片材（V.9^1（T?5米3?/秒）中，b）梯形片（V?瓦特?=3.35×10′5米3?/秒），c）中的梯形片（V?瓦特?=3><1（/?5米3?/秒），d）梯形片（VW=2.8^10′?5米3?/秒）中，e）V?片（V^JY-LCR?5米3?/秒）中，f）Y片（V?w?^2xl（X?5?m?3?/s），g）手指流（V?w?=1.2^1（y?5?m3?/s），h）手指流量（V?w?=0.75^ia?5?m?3?/s）

考慮圖35中的流量狀況？很明顯，在高流速下，液體的慣性支配著流動(dòng)的形成。對(duì)于這些條件，射流出口處較高的液體速度產(chǎn)生足夠的慣性以將片材的邊緣保持在

通道的墻壁。此時(shí)，液體和壁之間的粘附力起作用

49

將流體“附著”到墻壁上。因此，壁的邊界，固定的噴嘴寬度和管道高度限制了流向跨越管道的整個(gè)寬度的片材的流動(dòng)。

然而，隨著流量減?。ɑ蚬艿栏叨纫怨潭ǖ牧魉僭黾樱?，流體保持附著在墻壁上并保持連續(xù)性的能力變得更加困難，特別是當(dāng)板材由于降低水流速而“變薄”時(shí)。由于必須保持連續(xù)性并且壁上的粘附力相對(duì)較弱，它們zui終會(huì)被表面張力所取代，以使橫截面的周長(zhǎng)zui小化。這zui終導(dǎo)致流動(dòng)從壁上脫離并產(chǎn)生“梯形”狀態(tài)，如圖36所示。

粘著

降低水流速度甚至進(jìn)yi步繼續(xù)減小相對(duì)于表面張力的動(dòng)量，因此片材寬度減小，直到片材的邊緣在管道的底部相遇。這**導(dǎo)致V形片材并zui終導(dǎo)致Y形片材，其中片材的邊緣在水落在管道底部之前相遇。

進(jìn)yi步降低水流速度，片材開(kāi)始破裂并沿噴嘴寬度形成平行指狀物。這又可以通過(guò)流動(dòng)維持來(lái)解釋

50

連續(xù)性，表面張力試圖使表面區(qū)域的周長(zhǎng)zui小化。圖37說(shuō)明了這yi點(diǎn)，表明在低水速下，表面張力將流分成多個(gè)流。這導(dǎo)致所謂的“手指流4”狀態(tài)，留下噴嘴，沿其長(zhǎng)度具有干斑。這種流動(dòng)行為*前由K/Iarston等人研究過(guò)。[99]。

圖37.插槽內(nèi)的速度曲線

3.4。結(jié)果：水板與空氣橫流

在橫流結(jié)構(gòu)落下的水的片材的行為在各種流率進(jìn)行了研究（2×1?〇‘?5至5倍升〇“?5?米3?/秒）的范圍內(nèi)的氣流速率（0.42xl的〇‘?2至2XL?〇’?2?米3?/秒）。從0.036增加下落高度的效果米-0.048?米也進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在這yi系列測(cè)試中，相同的噴嘴尺寸是用作與靜態(tài)空氣中進(jìn)行測(cè)試。表4示出的實(shí)驗(yàn)條件。

51

噴嘴寬度

〇）

0.1

噴嘴厚度

〇）

0.0005

水流量

（m?3?/s）

2×10′?3至5×10?〇–?5

空氣流量

（m?3?/s）

0.42×10”?2?2倍]?〇?2

水溫

（C）

15

氣溫

（C）

20

空氣濕度

（–）

0.50

墜落高度

〇）

0.036;?0.048

通過(guò)改變水流速，在各種氣流速率下，對(duì)于所測(cè)試的條件，發(fā)現(xiàn)了四種不同的相互作用模式，如圖38所示。圖38（ab）9中所示的“斷片”在較高流速下形成?？諝夂偷土魉俚乃Ｔ谳^低的氣流速率，無(wú)論水的流速的，觀察到水片為4穩(wěn)定9如在圖38（CD）看出。高流速的空氣和水導(dǎo)致形成“撲動(dòng)片”，如圖38所示（e_f）。如圖38（gh）所示，在較高的水流速下進(jìn)yi步增加氣流導(dǎo)致形成穩(wěn)定的提升的牛肉。

52

凸輪

d）

Cam2

>’

–N.

凸輪

凸輪

圖38.?空氣橫流中的水流狀況;?a?和b）破碎板（V?w?=2.4^l（f?5?m?3?/s?和V?a?=0.9^l（fm?3?/s）;c?和d）穩(wěn)定板（V?w?=3.9^10?5?m?3?/s?和V?a?=0.71?x?JO?2?m?3?/s）;e?和j）Jlcq>平板（V?w?=3.9^10?5?m?3?/s?和V^O9^10?2?m3?/s）;?g?和h）破片（V?w?=5?×?IQ?5?m?3?/s

cmdV?a?=J.8xJO?2?m?3?/s）;

將空氣橫流引入通道導(dǎo)致橫跨板的壓力差以及空氣動(dòng)力阻力，其取決于空氣流的速度和水板的面積。紙張上的壓力差導(dǎo)致紙張彎曲，推出中心并在側(cè)面拖動(dòng)。而且，取決于阻塞率（片材面積與通道的橫截面積的比率），yi部分空氣通過(guò)片材，對(duì)水流狀態(tài)沒(méi)有顯著影響，如圖39所示。

53

圖39.與相對(duì)較小的水板接觸的氣流的行為

增加氣流會(huì)增加阻力，這使水板與水平面保持yi定角度。另yi方面，水的慣性和重量試圖“保持”垂直流動(dòng)。然而，增加水流量會(huì)增加水板的面積和質(zhì)量，結(jié)果增加了作用在水板上的重量和阻力。在水片內(nèi)，表面張力試圖將片材保持在yi起，但是yi旦阻力主導(dǎo)內(nèi)部?jī)?nèi)聚力，水片就會(huì)斷裂。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果片材中的速度分布和因此水片的厚度是均勻的，則片材在片材的尾端破裂，如圖38（ef）所示?；蛘?，如圖38（ab）所示，如果模具速度分布不均勻，則垂直分解。

3.4.1。穩(wěn)定的床單

取決于墜落高度和在噴嘴處的水的速度，穩(wěn)定板的幾何形狀被看作是’Y?5，三角形或梯形形狀，只要空氣不足以破碎或翻轉(zhuǎn)水。片。在相對(duì)較低的水流速和較高的下降高度下，板的邊緣在底部上方彼此相遇

54

創(chuàng)建Y表的通道，如圖35f所示。通過(guò)增加穩(wěn)定板材上的空氣橫向流動(dòng)，由于空氣引起的阻力zui初使落下的水板傾斜并在板材的中間產(chǎn)生凹形拱形。進(jìn)yi步增加氣流，這些條件增加了拱的凹度。圖40通過(guò)顯示穩(wěn)定的Y片說(shuō)明了這yi點(diǎn)。

圖40.穩(wěn)定的YSheet（V?v?=2^1（T?5?tri/s和V?a?=0.42>^ld?2?n^/s）

增加水射流速度增加了水流的慣性，這通過(guò)使紙張的邊緣遠(yuǎn)離中心而增加了紙張面積。增加出水速度也會(huì)增加水流的動(dòng)量，從而將拱道推向空氣隧道的底部。在相當(dāng)高的水流動(dòng)力的情況下，在片材堅(jiān)固的情況下，拱壁變成水隧道。在不同的水流速下，拱的位置具有恒定的氣流速率，并且轉(zhuǎn)變?yōu)樗淼?，如圖41-a至41-f所示。由于Y片材的阻塞率小，這些片材上的阻力相對(duì)較小，因此需要更高的氣流速率來(lái)破碎片材。

然而，三角形和梯形幾何形狀的較大阻塞比導(dǎo)致較高的阻力。因此，在較高的水流速度下，板壁隨著管道中較低的空氣流速而改變其模式。在這方面，片材的傾斜角度取決于阻塞率和阻力，因此在較小的阻塞比率下

傾角較小。另yi方面，增加水流速度會(huì)增加水在垂直方向上的動(dòng)量，從而試圖減小傾斜角。與此相反，增加管道中的空氣速度具有由于阻力而使板變薄的效果，從而增加凹拱的尺寸直到其zui終破裂或移動(dòng)到撲動(dòng)模式。

圖41.位置afd。在ifTcreased水JL拱的形狀〇-v？速度和公共空氣流量

0.9^l（fm?3?/s，在下降時(shí)的平均值為0.036m;a）I（T?J?m?3?/s，b）V?w?=3。55x?Im?3?/s，

c）V?w?=3.9^1G?5?m?3?/s，d）V?W?=4.35^1G?5?m?3?/s，e）V?W?=4.74^1G?5?m?3?/s，J）V?w?=5y-ICF?5?m?3?/s

3.4.2。碎片

通過(guò)在低水流速下增加空氣速度或在高氣流速率下減少水流，可以從拍打或穩(wěn)定的片材產(chǎn)生破碎的片材。由于壁效應(yīng)，空氣的速度在中心處較高，從而在片材上產(chǎn)生剪切應(yīng)力。同時(shí)，在較低的水流速下，在噴射出口附近發(fā)生變薄。因此，yi旦板材相對(duì)較薄并且由于氣流引起的剪切應(yīng)力足夠強(qiáng)以克服表面張力和水的慣性

如圖42（af）所示，紙張將垂直分解成手指或較小的紙張。

在破碎之后，表面張力用于將這些脫離的流的邊緣拉向它們的中心，以便zui小化水板的表面積。這zui終使每個(gè)單*的流動(dòng)變稠以形成指狀物，這減小了空氣和水片之間的接觸面積。結(jié)果，水流上的阻力將更小并且導(dǎo)致更小的傾斜角。

通過(guò)以固定的水流速度進(jìn)yi步增加氣流或以固定的氣流速率減小水流量，手指將破裂成液滴。這可以通過(guò)由于重力和阻力而在傾斜方向上加速的水流來(lái)解釋。隨著水的加速，水指的橫截面由于連續(xù)性而減小，并且zui終，表面張力將手指破碎成液滴，以使水流進(jìn)入其zui小能量狀態(tài)。

圖42.在恒定水流下將三角形片材分成手指

（V?w?=2.4y-1m?2?/s）通過(guò)增加氣流;?a和b）V?yi個(gè)?=0.41^10′?2米3?/秒，

?以及d）V?yi個(gè)?=0-7xl0′?2米2?/S，E和j）在Va=1.21xlU?2米3?/秒

3.4.3。拍打和穩(wěn)定提升的床單

yi旦在噴嘴處的水流的速度足夠高，使得片材在其下落時(shí)僅稍微變薄，則片材傾向于抵抗垂直斷裂。在這些條件下，如果氣流中有足夠的動(dòng)量，則片材上的壓力差能夠整體提升片材，如圖43和圖44所示。yi旦片材被抬起，片尾端由于近水平面中水的持續(xù)加速，薄片破裂成液滴。片材的提升解除了通道的阻塞，從而減小了片材上的壓降，因此，由于重力，片材回落通過(guò)通道并重復(fù)該過(guò)程。這種振蕩，這里命名為“撲片5，在圖44（CD）示出5?添加了

當(dāng)紙張從近垂直位置向水平位置輕彈時(shí)，間歇地?cái)嚅_(kāi)紙張尾部的效果。

通過(guò)增加空氣或水的速度，可以進(jìn)yi步擴(kuò)大圖43中所示的撲動(dòng)區(qū)。在足夠高的空氣速度下，空氣中有足夠的動(dòng)量來(lái)平衡重力并使片材保持傾斜角度，使得拍打停止。*如預(yù)期的那樣，隨著氣流的增加，紙張的傾斜度更高。在這些條件下，氣流將水流的邊緣推向空氣通道的中心。因此，該模式被稱(chēng)為“穩(wěn)定提升片材5”。圖44（af）顯示了穩(wěn)定片材（ab）到撲片（cd）的轉(zhuǎn)變，zui后通過(guò)改變氣流速率在恒定水流下轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的提升片材（ef）。

59

圖44.在V?w?=3.9x1（/?5?m?3?/s和下降高度為0.036m;aandb）Va^O?的水流速下，從穩(wěn)定的片材到撲片的流動(dòng)狀態(tài)和穩(wěn)定的合并流的轉(zhuǎn)變^×10”?2米3?/秒，candd）V?yi個(gè)?=?〇.92xl（X?2米3?/S，E和j）V?yi個(gè)?=1-8>

3.4.4。映射流量制度

流動(dòng)狀態(tài)圖是用于定義特定系統(tǒng)中不同類(lèi)型的流動(dòng)狀態(tài)之間的邊界的圖形工具。這些基于zui能描述系統(tǒng)的參數(shù)。已經(jīng)針對(duì)各種幾何形狀和條件提出了Vlany類(lèi)型的流態(tài)圖[108-111]，當(dāng)描述停滯氣體中的下落液體時(shí)，Weber數(shù)（定義為慣性與表面張力的比率）通常用于表征流動(dòng)[104,106,107]，考慮到氣體流量，雷諾數(shù)（定義為慣性和粘性力的比率）通常用于描述通道中氣體流動(dòng)的特征[79]，

當(dāng)水平管道氣流與下落的水片相互作用時(shí)，水片的特性可以用其韋伯?dāng)?shù)來(lái)描述，并且片材對(duì)氣流的響應(yīng)可以用氣流的雷諾數(shù)來(lái)表示。

60

因此，決定根據(jù)公式33中所示的水的韋伯?dāng)?shù)和公式34中給出的雷諾數(shù)空氣來(lái)繪制流動(dòng)狀態(tài)圖。

Pw^ch，w^ch，w_Pw^ch，wQwPa^ch，a^ch，a

（33）

（34）

為了適應(yīng)重力和墜落高度的影響，水的特征速度被認(rèn)為是水的特征速度，因?yàn)樗谕目諝庵新湓谕ǖ赖牡撞?。這不是直接測(cè)量的，但可以使用伯努利方程估算，如公式35所示。著陸速度也用于確定Kyotoh等人的韋伯?dāng)?shù)。

K?：h，w?=?Jv?m?w?2?+2gH?F（35）

（36）

知道水流速和噴嘴的橫截面積，可以確定噴嘴處的水的平均速度（V?m，w）。用于“流動(dòng)”韋伯?dāng)?shù)的水板的特征長(zhǎng)度*前被選擇為噴嘴出口處水板厚度的yi半[97]，而在本研究中，為了適應(yīng)下降高度的影響，考慮了“本地”韋伯?dāng)?shù)字。為此，確定通道底部的板厚度，假設(shè)沒(méi)有交叉氣流并且水板跨越管道的整個(gè)寬度。如等式36所示，該厚度的yi半被認(rèn)為是文獻(xiàn)[97]中使用的特征長(zhǎng)度。

LCH，V

61

落水板的形狀和范圍通過(guò)其對(duì)空氣流的橫截面積的影響影響空氣橫流的雷諾數(shù)。因此，較高的水流速導(dǎo)致較大的堵塞率，因此通過(guò)減小橫截面積來(lái)增加空氣的速度。因此，在確定雷諾數(shù)時(shí)，平均速度被認(rèn)為是如等式37中所定義的特征速度。

y?c?h，a?=~?V?R?（37）

其中，合成速度（Vr）由公式38給出。

^?=?（38）

為了同時(shí)適應(yīng)下降高度和通道寬度對(duì)雷諾數(shù)的影響，選擇等式34中的氣流的特征長(zhǎng)度（L?c?h，〇）作為管道的對(duì)角線。

進(jìn)行了yi系列實(shí)驗(yàn)，以便在管道空氣與下落的水片的交叉流相互作用中表征和映射不同的流動(dòng)狀態(tài)。在這些測(cè)試中，改變氣流速率以提供5000到25000之間的雷諾數(shù)范圍，并且改變水流速以提供從1.5到7的各種韋伯?dāng)?shù)。這將超過(guò)預(yù)期的條件范圍。在*聯(lián)加濕器中。

圖45示出了基于所述空氣的雷諾數(shù)和韋伯水?dāng)?shù)的流態(tài)圖。

62

穩(wěn)定的提升板

t碎片

25000

20000

15000

10000

韋伯水量

圖45.基于雷諾空氣數(shù)和韋伯水?dāng)?shù)的空氣和水交叉流相互作用的流態(tài)圖。

據(jù)觀察，對(duì)于整個(gè)檢測(cè)范圍的Weber數(shù)和較低的雷諾數(shù)，水片是穩(wěn)定的?？梢钥闯觥胺€(wěn)定板5?”的臨界雷諾數(shù)大約為12500，超過(guò)該值，根據(jù)韋伯的水?dāng)?shù)，穩(wěn)定的板材被轉(zhuǎn)變成“破碎板5”或“翻板5”。在所檢查的范圍內(nèi)，臨界Weber數(shù)被認(rèn)為是約3.5，低于該值，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)被“破壞5”，并且超過(guò)該值，觀察到’撲動(dòng)片5。還觀察到第二個(gè)臨界雷諾數(shù)約為22500，超過(guò)該數(shù)量，’撲動(dòng)片5被轉(zhuǎn)變?yōu)椤€(wěn)定的提升片5。

63

3.4.5。討論實(shí)驗(yàn)

在考慮流動(dòng)狀態(tài)及其對(duì)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的影響時(shí)，可以得出yi些結(jié)論。**，在“穩(wěn)定的片材5?”的情況下，液體中的慣性?xún)A向于支配流動(dòng)行為，這防止了空氣和水的混合，因此轉(zhuǎn)移區(qū)域限于液體片的面積。由于空氣和水之間缺乏相互作用，因此對(duì)于該流動(dòng)狀態(tài)可預(yù)期較差的熱量和質(zhì)量傳遞系數(shù)。

其次，在“破碎片材5”方案中，空氣慣性支配流動(dòng)行為，其通過(guò)將水片破碎成液滴而提供相對(duì)大的轉(zhuǎn)移區(qū)域。在高雷諾數(shù)下觀察到這種流動(dòng)狀態(tài)，這增強(qiáng)了主體流的湍流并且可以改善轉(zhuǎn)移過(guò)程。然而，由于能夠繞過(guò)水板的大量空氣，氣流與液體薄片的相互作用較小。

第三，在’撲鰭片中，流動(dòng)行為反復(fù)變化，間歇地控制空氣和水的慣性，這提供了良好混合的流動(dòng)，人們可能期望在轉(zhuǎn)移過(guò)程中有力地幫助。該流動(dòng)狀態(tài)通過(guò)在片材在近水平位置輕彈時(shí)將片材的尾端破碎成液滴而提供大的轉(zhuǎn)移區(qū)域。

zui后，對(duì)于“穩(wěn)定的提升的鰭狀物”，通過(guò)將片材保持在穩(wěn)定的角度，空氣的慣性支配著流動(dòng)的行為。這將減少兩個(gè)流的混合，但是由于沿水平面的連續(xù)加速，紙張的尾端破裂成液滴，這提供了相對(duì)大的轉(zhuǎn)移區(qū)域。此外，在該流動(dòng)狀態(tài)中，兩個(gè)速度都很高，這可能會(huì)增強(qiáng)傳遞

64

流程?；谶@些觀察結(jié)果，很有可能在不同的相互作用模式中，’撲鰭片和’穩(wěn)定的提升的鰭片將提供zui高的傳熱和傳質(zhì)系數(shù)。

3.5。實(shí)驗(yàn)結(jié)論

為了識(shí)別和繪制不同的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行了yi系列關(guān)于橫流管道空氣流中下落水的行為的實(shí)驗(yàn)。

為了了解這種現(xiàn)象，zui初研究了靜止空氣中水的下降行為。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于恒定的噴嘴尺寸并且取決于水流速和下降高度，可以形成五種下落水模式，即：矩形，梯形，V形，Y形和指狀流。這些流動(dòng)狀態(tài)詳細(xì)說(shuō)明了落水的慣性以及內(nèi)聚力和粘附力。

隨后在停滯的空氣中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定了各種空氣流速下各種水流量的相互作用模式;?‘穩(wěn)定的床單‘，‘破碎的床單’/拍打床單’和’穩(wěn)定的提升床單’。然后根據(jù)空氣流的雷諾數(shù)和韋伯水?dāng)?shù)繪制這些圖。

這些模式通過(guò)空氣和水流動(dòng)量的相對(duì)強(qiáng)度，表面張力和阻塞率來(lái)解釋。在較低的氣流速率下并且不管水流速如何，觀察到落下的水的軌跡是穩(wěn)定的。這種穩(wěn)定的片材在氣流速率增加和水流速低的情況下轉(zhuǎn)變?yōu)槠扑槠模谳^高的水流速下，增加氣流速率

造成撲動(dòng)板的形成。據(jù)觀察，氣流速率的進(jìn)yi步增加將停止拍打，從而形成穩(wěn)定的提升片材。

基于每種流態(tài)的特征，簡(jiǎn)要討論了這些流動(dòng)狀態(tài)下的傳熱和傳質(zhì)強(qiáng)度。zui有可能的是，在觀察到的相互作用模式中，“拍打片”和“穩(wěn)定的提升片”將具有zui高的傳熱和傳質(zhì)系數(shù)。