為了開始解決前yi章提出的研究問題，需要了解HDH海水淡化循環以及每個組分的貢獻。在這方面，需要開發系統的數學模型。借助該模型，可以評估操作參數的影響以及氣候條件的變化對整體性能的影響。還可以識別系統的相對益處和缺點，因此可以改善系統能量性能。

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

2.2。HDH海水淡化系統開發

為了實現高效的HDH海水淡化系統，選擇了“露天/開放水，5個循環。如圖19所示，提出的主要組成部分

21

太陽能HDH海水淡化系統是太陽能熱水器，加濕器，冷凝器和省煤器。水被加熱并且為了簡單起見，加濕器被認為是具有逆流空氣和水流模式的長通道。這種配置將減少沉降對加濕器性能的影響，同時減少循環空氣和水所需的能量。提出了yi種用于冷凝器的氣液單通殼和雙通管換熱器，其在空氣和水流上具有小的壓降，因此降低了輸入系統的能量。

圖19.建議的太陽能加熱HDH海水淡化裝置考慮到海水作為冷卻液并假設冷凝器中的濕空氣有效冷卻，預計排氣的能量和水分含量低于環境空氣的能量和水分含量。在此基礎上，空氣流的開放循環似乎適合于該系統。包括空氣和水流的強制循環。

22

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

（S>1/3^^}PF-HsnK^nosqv

1020304050

干球溫度（°C）

圖20.加濕除濕脫鹽過程的濕度循環

2.3。模型開發

如圖19所示，擬議的HDH海水淡化系統包括四個主要部分：太陽能集水器，冷凝器，加濕器和節能器。以下部分詳細介紹了為每個組件開發的數學模型。

2.3.1。太陽能集熱器

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

（7）

集電*總熱損失系數（U〇ⅰ）是底部，邊緣和頂部的熱損失系數的總和。底部和邊緣熱損失系數可以分別從等式8和9計算。

2.3.2。冷凝器和省煤器

冷凝器被建模為氣液單通殼和雙通管熱交換器。這些熱交換器以前曾用作HDH海水淡化系統中的除濕機[15,77]。對于管殼式換熱器，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為是*熱的。

（14）

實際傳熱速率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可用于計算所獲得的zui大可能能量。

（16）

現在，冷凝器的總傳熱系數可以通過公式19[78]確定。

（19）

類似的液–液熱交換器用作節熱器。再yi次，有效性–NTU方法用于確定來自省煤器的流體的出口條件。方程式20用于確定節能器的有效性，因為沒有相變。

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個簡單的加濕器，包括yi個矩形橫截面的水平長管道，如圖21所示。在這個加濕器中，水沿著通道的底部流動，在水面上方有yi個反氣流。由于加濕器在中等溫度下運行，因此將其建模為*熱系統。

28

鹽水溫暖的海水

圖21.具有矩形橫截面的長通道加濕器的示意圖

質量和能量守恒以及熱量和質量傳遞的相關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）

對于矩形管道內的流動，特征長度是管道的水力直徑，空氣–水系統的質量擴散速率（/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）在開爾文（K）。為了確定舍伍德數，我們**需要利用我們對傳熱過程的理解。在這方面，空氣和水之間的總傳熱速率是對流，蒸發和輻射傳熱的總和。由于系統在中等溫度下運行，輻射傳熱可以忽略不計。對流和蒸發傳熱速率可分別由方程式27和28確定。

（28）

對流傳熱系數（h?cv）可以確定為等式29中給出的努塞爾數的函數。

（29）

對于流過水面的氣流，考慮了不對稱加熱矩形通道的條件。因此，對于模型的縱橫比，

在湍流條件下，Nusselt數由方程式30[79]給出，假設通道內流動的臨界雷諾數為2300[79]。

（30）

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

（31）

（32）

由于傳熱和傳質是類似的，因此湍流條件下的舍伍德數可由公式32定義。

SH=?？0.023/E°–?8?5C?1?/?3

2.4。計算解決方案

本章的目的是模擬HDH海水淡化系統，分析其對運行和氣候條件的產量敏感性，并確定可能改進的領域。工程方程求解器（EES）[82]用于確定流體屬性并解決前幾節中開發的方程組。

為此，模型的輸入是操作參數，如海水溫度，環境空氣溫度和濕度，空氣和水流量，風

31

速度和總入射輻射。如圖22所示，使用迭代方法為系統開發解決方案。為了達到解決方案，該模型估計離開加濕器的空氣和水的溫度，并檢查出口空氣和水的估計值之間的差異。溫度和迭代后的計算值。當它們之間的差異小于0.01℃時，實現了解決方案。

對于冷凝器和節熱器的出口條件求解方程式13至21。隨后，該模型通過同時求解太陽能熱水器的出口條件的等式1至12來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

在加濕器內部，傳熱和傳質系數隨蒸汽壓力和溫度而變化。為了對此進行建模，將加濕器分成yi系列有限元，如圖23所示。假設條件在每個區間內是恒定的。

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確定來自加濕器的出口空氣和水的條件。為了實現這yi點，該模型**將排出的水溫估計為入口空氣的濕球溫度，然后針對每個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準是離開太陽能水收集器的水的溫度與加濕器的入口水的計算溫度之間的差值，其被認為是0.01℃。

圖23.沿加濕器的每個區間的條件變化很明顯，較短的區間將導致計算結果的更好準確性。然而，這增加了間隔的數量并且顯著增加了計算時間。測試了間隔大小（以及間隔數）的影響，并且該分析的結果顯示在圖24中。基于此，確定lw的間隔將產生足夠的精確度用于該工作。

間隔長度（m）

圖24.間隔長度對加濕器計算結果精度的影響

2.5。模型的結果

為基準溶液，它被假定HDH模型將使用兩個雙層玻璃的太陽能熱水器，提供4的吸收體區域米2，以提供所需的熱輸入。加濕器將提供1:1的總蒸發面積米2。兩個管殼式換熱器，每yi個都提供1.6的轉印區域米2，被認為是除濕器和節能器。設計參數的更多細節如表1所示。

表1.設計參數

水收集器

加濕器

聚光器

省煤器

Ng，col

2[?]

^?hmd

1[m?2?J.

NT，標準條件

2?〇[

中號

IY?[RF經濟艙

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]

為了理解某些參數如何影響系統的性能，

進行了敏感性分析。飲用水生產對海水和環境空氣溫度，空氣和水流速，總輻射的敏感性，

35

加濕和冷凝區域進行了評估。表2給出了這些變量的范圍及其標稱值。

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

進氣溫度（Ta，in）

（°Q

10至30

20

進水溫度（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的產量。增加總輻射導致更高溫度的水進入加濕器，因此導致加濕器中更有效的加濕。

0.10

20030040050060070080090010001100120013001400

總輻射，G?t（W/m?2）

圖25.飲用水的生產率與總輻射的關系在圖26中，給出了改變入口海水溫度對飲用水生產的影響。增加入口海水溫度會增加系統的總輸入能量，但海水也必須冷凝來自加濕器的潮濕空氣。結果表明，增加進水海水溫度會降低海水溫度

36

生產率。此外，太陽能收集器中較高的水溫會增加對環境的能量損失。

0.9

。8?。7?。6?。5?。4?。3.2?0.0.0.0.0.0.0。

（Jqs/^）JpnlJOJj

■

“

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

Acond=1.6m?2

–

–

–

—

–

_

J_

，

，

，

■

，

0.10

81012141618202224262830323436

入口水溫，T?Wyin（°C）

圖26.飲用水的生產率與進水溫度的關系如圖27所示，增加水流量會降低飲用水的產量。這是因為供給系統的水量較大，降低了太陽能集熱器的溫度變化。因此，水在較低溫度下進入加濕器，并且導致較少的蒸發并因此產生較低的淡水。

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.飲用水的生產率與水的體積流量的關系

×10

37

在較高的水溫下，預計超出飽和狀態的明顯加熱，而為了發生冷凝，需要將過熱的空氣冷卻至露點以下，這意味著可能需要額外的冷凝區域。

如圖28所示，將氣流速率增加到0.02?m?2?/s會導致產量顯著增加，但超過此范圍，產量增加不明顯。這可以通過以下事實來解釋：增加氣流速率通過連續供應新鮮空氣來增加水分承載能力，但也減少了加濕器和冷凝器中的空氣的溫度變化。因此，通過增加氣流速率，濕氣溫度在加濕器的出口處下降，而來自冷凝器的排氣的溫度增加。這些zui終會降低淡水生產率。

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.飲用水的生產率與空氣的體積流量的比率現在在圖29中可以看出，隨著環境空氣溫度的升高，飲用水的產量會增加。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過程。這種明顯的加熱也增加了

38

排出水的溫度，由經濟器中的入口水回收。結果，增加了加濕器入口水的溫度，這也增加了蒸發速率并增強了系統的生產。

.7i.5.40.0.0.0。

（Jq.m/^）u.2t3IH}OJj

1618202224262830323436

進氣溫度，T?ttf?i?n（°C）

圖29.飲用水的生產率與環境空氣溫度的關系

以前注意到冷凝器面積可能是yi個重要因素。在圖30中，可以看出，將冷凝面積增加到2m?2會導致飲用水產量的增加，然而，超過該值，產量沒有顯著增加。提供更大的冷凝區域允許水和空氣流之間的更多熱傳遞，但來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/§>！）u.2pnI>OJplh

V?yi個?=0.02米3?/s的V?瓦特?=3XL?〇–?5米3?/式T?瓦特，在?=15?〇（CT）yi個，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.飲用水的生產率與蒸發面積的比率這通過保持液體表面和本體流之間的蒸汽壓差來增加蒸發速率。然而，明顯的加熱是有限的

40

圖30.飲用水的生產率與冷凝面積的關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會導致產量顯著增加，超過該值，生產率僅略有增加。增加加濕面積允許通過水更加明智地加熱氣流。

通過入口水溫到加濕器。因此，增濕區域的增加導致產量的增加減少。

V?yi個=?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

現在對于簡單的HDH海水淡化系統，長通道加濕器是yi個很好的解決方案。然而，需要大面積的加濕來實現合理的飲用水生產率。這增加了總尺寸并因此增加了單元的成本。相反，通過改善傳熱和傳質系數，可以增強加熱和加濕過程并zui終提高系統的產量。如圖32所示，對于相同的加濕區域，如果在假想的加濕器中傳熱系數和質量傳遞系數可以增加50％，則飲用水的產量將顯著增加。這表明需要探索實現轉移系數增加的方法。

00.20.40.60.811.21.41.61.822.2

加濕器表面積，（m?2）

圖32.HDH產生與增強的傳熱和傳質系數的比較

2.6。章節結論

在本章中，開發了使用長管道加濕器的太陽能HDH海水淡化的簡化模型。評估了系統產水的靈敏度

41

在氣候條件和操作參數方面。結果表明，加濕器中的空氣和水溫較高，蒸發面積增大，傳熱傳質強度提高，加熱和加濕過程得到改善，從而改善了系統的生產。另yi方面，增加冷凝面積以及具有較低的海水溫度增強了冷凝過程，這也增加了系統的產量。模型的結果表明，生產率主要受加熱和加濕過程而不是除濕過程的影響，特別是加濕器中的傳熱和傳質。

因此，為了開發yi種有效的太陽能HDH海水淡化系統，第1章中提出的研究問題被改進為：

如何開發yi種簡單的加濕器，以有效的方式混合空氣和水，以增強傳熱和傳質現象？

42

第3章：在交叉流動的空氣流中降低水頁■表征流量

制度下

3.1。介紹

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

為了解決這個問題，建議空氣和水的相互作用應該以交叉流動配置發生，其中水平管道的氣流穿過垂直的落水板。

43

在這方面，在圖33中示意性地示出的*聯加濕器，其中下落的水片間歇地與水平流動的空氣流混合，可以顯著改善轉移現象。這將構成對該要求的非常簡單的解決方案并且可能消除加濕器中的沉降問題，因為在托盤表面上可能發生任何可能的沉降，這不會影響傳熱現象。Kraft等人[93]介紹了yi種與此類似的*聯加濕器？增加海水淡化系統的加濕面積，但在他們的研究中沒有考慮下降水的影響。

圖33.具有橫流和逆流的*聯加濕器的建議示意圖

互動

如圖33所示，所提出的*聯加濕器中存在兩種主要的相互作用類型;?逆流和橫流。逆流相互作用實際上與矩形管道中的相互作用相同，矩形管道在第2章中進行了建模和討論。但是，對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。

靜止和移動氣流中的液體下降具有多種不同的應用，包括幕涂，噴霧和霧化，曝氣和液體介質中的氣體吸收。大量研究已經研究了液體下降的行為，沒有任何氣體交叉流[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形射流[101-103]。Bolanos-Jimenez等。[104]對平行流動情況下的空氣和水板的行為進行了理論和實驗研究。他們報告了yi種“冒泡”狀態，導致氣片周期性破裂，以及“噴射”狀態，兩種薄片都在下游緩慢進化而沒有破裂。他們認為，這兩種制度的形成取決于兩個參數，即：水的韋伯數和空氣與水之間的速度比。

Ng等人。[105]對他們稱之為“帶有氣體橫流的圓形非湍流液體射流的袋子破裂”進行了實驗研究。他們發現，由于氣體交叉流，在射流中會形成yi系列柱狀波。并且可變波頻率引起不穩定性。據報道，主要的分裂過程是由于橫流的空氣動力學效應，而不管液體射流內的初始干擾。

Brown[106]將其擴展到液體薄片流，研究了yi個薄片液體離開槽并撞擊移動的固體表面的行為。據報道，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域會不穩定，其中y/?是液體的表面張力，m?是水質量流量率。發現該片材對于韋伯數大于1的穩定性。Becerra等。[107]還對粘彈性液體薄片的穩定性進行了實驗研究，并報告說，對于低于0.94的韋伯數，液體薄片將不穩定。

盡管已經開始研究降低液體薄片流和圓形液體射流的交叉流，但似乎沒有研究評估

45

當液體薄片落下時，熱量和質量傳遞強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熱量和質量傳遞強度的影響，以提高HDH系統的產量。在這樣做時，預期當改變系統中的空氣和水的速度時會發生各種流動狀態。在其他兩相流中，這些流動狀態導致不同的傳熱和傳質特性，并且認為這可以通過這種流動組合發生。本章介紹了這些流態的調查，識別和評估，以便更*入地分析其傳熱和傳質特性。

3.2。實驗方法：流動方案的表征

開發了yi項實驗研究來表征交叉流配置中的流動行為。在這些實驗中，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槽噴嘴產生水板，因為它提供了對水的控制。片材的厚度和方向。雖然這不是通過堰上的*聯流產生的薄片，如圖33所示，但它提供了更好的實驗控制并反映了流動相互作用。開槽噴嘴是由兩個精細研磨的不銹鋼板形成，提供0.5的均勻厚度毫米穿過噴氣機出口。選擇不銹鋼是因為它的熱膨脹系數低，確保噴射器的厚度在yi定的水溫范圍內保持合理的恒定。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節的，以便提供yi系列流速。水流量是

46

通過測量已知質量的水通過噴嘴所花費的時間來確定。為了提供橫流，通過變速軸流式風扇將空氣引導通過管道，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?毫米之間調節。通道高度是可調節的，因此也可以評估下降高度對流動狀態的影響。對于每次測試，氣流速率是通過使用穿過管道的皮托管靜態探針和差壓計進行的測量來確定的。附錄A詳細說明了與實驗中測量結果相關的不確定性。

該實驗的主要目的是檢查和表征橫流配置中水板的行為，因此，使用兩個相機（NikonD300和NikonD3300）來捕獲空氣和水相互作用的圖像。如圖34所示，安裝第yi個（攝像機1）以捕獲側視圖像，而第二個（攝像機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，實驗是

47

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

3.3。結果：靜止空氣中的水床

水片材在暴露于空氣的靜態行為進行了研究兩個下降高度（36和48?MM）與來自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狀態。水的性質在平均水溫下測定。表3中給出了實驗條件。

表3.觀察靜止空氣流動狀態的實驗條件_

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，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小化流動的能量狀態。

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

48

速率，從而形成yi個跨越管道整個寬度的穩定板材。隨著流速降低，對于固定的噴嘴寬度和管道高度，流量通過另外四種方式轉變，稱為“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（NikonD3300）沿管道軸向安裝。

圖35.水流狀態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的形成。對于這些條件，射流出口處較高的液體速度產生足夠的慣性以將片材的邊緣保持在

通道的墻壁。此時，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寬度的片材的流動。

然而，隨著流量減小（或管道高度以固定的流速增加），流體保持附著在墻壁上并保持連續性的能力變得更加困難，特別是當板材由于降低水流速而“變薄”時。由于必須保持連續性并且壁上的粘附力相對較弱，它們zui終會被表面張力所取代，以使橫截面的周長zui小化。這zui終導致流動從壁上脫離并產生“梯形”狀態，如圖36所示。

粘著

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

進yi步降低水流速度，片材開始破裂并沿噴嘴寬度形成平行指狀物。這又可以通過流動維持來解釋

50

連續性，表面張力試圖使表面區域的周長zui小化。圖37說明了這yi點，表明在低水速下，表面張力將流分成多個流。這導致所謂的“手指流4”狀態，留下噴嘴，沿其長度具有干斑。這種流動行為*前由K/Iarston等人研究過。[99]。

圖37.插槽內的速度曲線

3.4。結果：水板與空氣橫流

在橫流結構落下的水的片材的行為在各種流率進行了研究（2×1?〇‘?5至5倍升〇“?5?米3?/秒）的范圍內的氣流速率（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?米也進行了評價。在這yi系列測試中，相同的噴嘴尺寸是用作與靜態空氣中進行測試。表4示出的實驗條件。

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

通過改變水流速，在各種氣流速率下，對于所測試的條件，發現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。空氣和低流速的水。在較低的氣流速率，無論水的流速的，觀察到水片為4穩定9如在圖38（CD）看出。高流速的空氣和水導致形成“撲動片”，如圖38所示（e_f）。如圖38（gh）所示，在較高的水流速下進yi步增加氣流導致形成穩定的提升的牛肉。

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致橫跨板的壓力差以及空氣動力阻力，其取決于空氣流的速度和水板的面積。紙張上的壓力差導致紙張彎曲，推出中心并在側面拖動。而且，取決于阻塞率（片材面積與通道的橫截面積的比率），yi部分空氣通過片材，對水流狀態沒有顯著影響，如圖39所示。

53

圖39.與相對較小的水板接觸的氣流的行為

增加氣流會增加阻力，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。然而，增加水流量會增加水板的面積和質量，結果增加了作用在水板上的重量和阻力。在水片內，表面張力試圖將片材保持在yi起，但是yi旦阻力主導內部內聚力，水片就會斷裂。已經發現，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。或者，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。穩定的床單

取決于墜落高度和在噴嘴處的水的速度，穩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水。片。在相對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

創建Y表的通道，如圖35f所示。通過增加穩定板材上的空氣橫向流動，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生凹形拱形。進yi步增加氣流，這些條件增加了拱的凹度。圖40通過顯示穩定的Y片說明了這yi點。

圖40.穩定的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，這通過使紙張的邊緣遠離中心而增加了紙張面積。增加出水速度也會增加水流的動量，從而將拱道推向空氣隧道的底部。在相當高的水流動力的情況下，在片材堅固的情況下，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，并且轉變為水隧道，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較小，因此需要更高的氣流速率來破碎片材。

然而，三角形和梯形幾何形狀的較大阻塞比導致較高的阻力。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，增加水流速度會增加水在垂直方向上的動量，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終破裂或移動到撲動模式。

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，可以從拍打或穩定的片材產生破碎的片材。由于壁效應，空氣的速度在中心處較高，從而在片材上產生剪切應力。同時，在較低的水流速下，在噴射出口附近發生變薄。因此，yi旦板材相對較薄并且由于氣流引起的剪切應力足夠強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終使每個單*的流動變稠以形成指狀物，這減小了空氣和水片之間的接觸面積。結果，水流上的阻力將更小并且導致更小的傾斜角。

通過以固定的水流速度進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。這可以通過由于重力和阻力而在傾斜方向上加速的水流來解釋。隨著水的加速，水指的橫截面由于連續性而減小，并且zui終，表面張力將手指破碎成液滴，以使水流進入其zui小能量狀態。

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）通過增加氣流;?a和b）V?yi個?=0.41^10′?2米3?/秒，

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

3.4.3。拍打和穩定提升的床單

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，片材回落通過通道并重復該過程。這種振蕩，這里命名為“撲片5，在圖44（CD）示出5?添加了

當紙張從近垂直位置向水平位置輕彈時，間歇地斷開紙張尾部的效果。

通過增加空氣或水的速度，可以進yi步擴大圖43中所示的撲動區。在足夠高的空氣速度下，空氣中有足夠的動量來平衡重力并使片材保持傾斜角度，使得拍打停止。*如預期的那樣，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，該模式被稱為“穩定提升片材5”。圖44（af）顯示了穩定片材（ab）到撲片（cd）的轉變，zui后通過改變氣流速率在恒定水流下轉變成穩定的提升片材（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，從穩定的片材到撲片的流動狀態和穩定的合并流的轉變^×10”?2米3?/秒，candd）V?yi個?=?〇.92xl（X?2米3?/S，E和j）V?yi個?=1-8>

3.4.4。映射流量制度

流動狀態圖是用于定義特定系統中不同類型的流動狀態之間的邊界的圖形工具。這些基于zui能描述系統的參數。已經針對各種幾何形狀和條件提出了Vlany類型的流態圖[108-111]，當描述停滯氣體中的下落液體時，Weber數（定義為慣性與表面張力的比率）通常用于表征流動[104,106,107]，考慮到氣體流量，雷諾數（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的特征[79]，

當水平管道氣流與下落的水片相互作用時，水片的特性可以用其韋伯數來描述，并且片材對氣流的響應可以用氣流的雷諾數來表示。

60

因此，決定根據公式33中所示的水的韋伯數和公式34中給出的雷諾數空氣來繪制流動狀態圖。

Pw^ch，w^ch，w_Pw^ch，wQwPa^ch，a^ch，a

（33）

（34）

為了適應重力和墜落高度的影響，水的特征速度被認為是水的特征速度，因為它在停滯的空氣中落在通道的底部。這不是直接測量的，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等人的韋伯數。

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”韋伯數的水板的特征長度*前被選擇為噴嘴出口處水板厚度的yi半[97]，而在本研究中，為了適應下降高度的影響，考慮了“本地”韋伯數字。為此，確定通道底部的板厚度，假設沒有交叉氣流并且水板跨越管道的整個寬度。如等式36所示，該厚度的yi半被認為是文獻[97]中使用的特征長度。

LCH，V

61

落水板的形狀和范圍通過其對空氣流的橫截面積的影響影響空氣橫流的雷諾數。因此，較高的水流速導致較大的堵塞率，因此通過減小橫截面積來增加空氣的速度。因此，在確定雷諾數時，平均速度被認為是如等式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）

為了同時適應下降高度和通道寬度對雷諾數的影響，選擇等式34中的氣流的特征長度（L?c?h，〇）作為管道的對角線。

進行了yi系列實驗，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狀態。在這些測試中，改變氣流速率以提供5000到25000之間的雷諾數范圍，并且改變水流速以提供從1.5到7的各種韋伯數。這將超過預期的條件范圍。在*聯加濕器中。

圖45示出了基于所述空氣的雷諾數和韋伯水數的流態圖。

62

穩定的提升板

t碎片

25000

20000

15000

10000

韋伯水量

圖45.基于雷諾空氣數和韋伯水數的空氣和水交叉流相互作用的流態圖。

據觀察，對于整個檢測范圍的Weber數和較低的雷諾數，水片是穩定的。可以看出“穩定板5?”的臨界雷諾數大約為12500，超過該值，根據韋伯的水數，穩定的板材被轉變成“破碎板5”或“翻板5”。在所檢查的范圍內，臨界Weber數被認為是約3.5，低于該值，發現流動狀態被“破壞5”，并且超過該值，觀察到’撲動片5。還觀察到第二個臨界雷諾數約為22500，超過該數量，’撲動片5被轉變為’穩定的提升片5。

63

3.4.5。討論實驗

在考慮流動狀態及其對轉移現象的影響時，可以得出yi些結論。**，在“穩定的片材5?”的情況下，液體中的慣性傾向于支配流動行為，這防止了空氣和水的混合，因此轉移區域限于液體片的面積。由于空氣和水之間缺乏相互作用，因此對于該流動狀態可預期較差的熱量和質量傳遞系數。

其次，在“破碎片材5”方案中，空氣慣性支配流動行為，其通過將水片破碎成液滴而提供相對大的轉移區域。在高雷諾數下觀察到這種流動狀態，這增強了主體流的湍流并且可以改善轉移過程。然而，由于能夠繞過水板的大量空氣，氣流與液體薄片的相互作用較小。

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

zui后，對于“穩定的提升的鰭狀物”，通過將片材保持在穩定的角度，空氣的慣性支配著流動的行為。這將減少兩個流的混合，但是由于沿水平面的連續加速，紙張的尾端破裂成液滴，這提供了相對大的轉移區域。此外，在該流動狀態中，兩個速度都很高，這可能會增強傳遞

64

流程。基于這些觀察結果，很有可能在不同的相互作用模式中，’撲鰭片和’穩定的提升的鰭片將提供zui高的傳熱和傳質系數。

3.5。實驗結論

為了識別和繪制不同的流動狀態，進行了yi系列關于橫流管道空氣流中下落水的行為的實驗。

為了了解這種現象，zui初研究了靜止空氣中水的下降行為。已經發現，對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。這些流動狀態詳細說明了落水的慣性以及內聚力和粘附力。

隨后在停滯的空氣中進行實驗，確定了各種空氣流速下各種水流量的相互作用模式;?‘穩定的床單‘，‘破碎的床單’/拍打床單’和’穩定的提升床單’。然后根據空氣流的雷諾數和韋伯水數繪制這些圖。

這些模式通過空氣和水流動量的相對強度，表面張力和阻塞率來解釋。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定的。這種穩定的片材在氣流速率增加和水流速低的情況下轉變為破碎片材，而在較高的水流速下，增加氣流速率

造成撲動板的形成。據觀察，氣流速率的進yi步增加將停止拍打，從而形成穩定的提升片材。

基于每種流態的特征，簡要討論了這些流動狀態下的傳熱和傳質強度。zui有可能的是，在觀察到的相互作用模式中，“拍打片”和“穩定的提升片”將具有zui高的傳熱和傳質系數。