Численное моделирование аэродинамики стандартного коллектора тумана
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.2.21Ключевые слова:
туман, туманвода, численное моделирование, аэродинамическая эффективность сбораАннотация
Сбор тумана – альтернативный, активно развивающийся в настоящее время способ получения воды, охватывающий как естественные, так и промышленные источники влажного воздуха. Система сбора основана на создании потоку тумана препятствия при помощи сеточного материала. В результате движения капли воды сталкиваются с волокнами сетки, слипаются и сливаются в желоб. В общих характеристиках таких систем эффективность аэродинамического сбора является определяющей. Данная статья направлена на углубление фундаментальных знаний об аэродинамическом поведении водных аэрозолей во время сбора тумана. Для этого авторами разработана вычислительная модель аэродинамики стандартного коллектора тумана, в которой объединены масштабы, различающиеся на четыре порядка. Каждое волокно сетки рассматривается по отдельности с точностью до 0,1 мм. Коллектор содержит двухслойную сетку и имеет в длину и ширину несколько метров. Получены зависимости эффективности аэродинамического сбора от коэффициента затенения и определены их максимальные значения при скорости набегающего потока 3–7 м/с. Показано, как изменится величина эффективности, если в расчете использовать скорость потока до или после коллектора либо полное давление. Перепад полного давления имеет точные границы и не зависит от места измерения около коллектора. Рассчитано векторное поле скоростей в коллекторе, и выполнен анализ угла падения потока на всей поверхности сетки. При безразмерном расстоянии между слоями сетки 50 и более эффективность аэродинамического сбора остается постоянной и вектор скорости имеет одинаковое направление относительно поверхности слоев. При этом поток туманного воздуха перпендикулярен второму слою сетки в центре стандартного коллектора тумана, а ближе к его краю сохраняет угол падения на первый слой.
Скачивания
Библиографические ссылки
Ghosh R., Ganguly R. Harvesting water from natural and industrial fogs—opportunities and challenges // Droplet and spray transport: Paradigms and applications / Ed. S. Basu, A. Agarwal, A. Mukhopadhyay, C. Patel. Springer, 2018. P. 237-266. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7233-8_9
Schemenauer R.S., Cereceda P., Osses P. Fogquest: Fog water collection manual. Fogquest, 2005. 99 p. https://www.researchgate.net/publication/283364559
Beysens D. The formation of dew // Atmos. Res. 1995. Vol. 39. P. 215-237. https://doi.org/10.1016/0169-8095(95)00015-J
Shanyengana E.S., Sanderson R.D., Seely M.K., Schemenauer R.S. Operational paper testing greenhouse shade nets in collection of fog for water supply // Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua. 2003. Vol. 52. P. 237-241. https://doi.org/10.2166/aqua.2003.0023
Klemm O., Schemenauer R.S., Lummerich A., Cereceda P., Marzol V., Corell D., van Heerden J., Reinhard D., Gherezghiher T., Olivier J., Osses P., Sarsour J., Frost E., Estrela M.J., Valiente J.A., Fessehaye G.M. Fog as a fresh-water resource: Overview and perspectives // AMBIO. 2012. Vol. 41. P. 221-234. https://doi.org/10.1007/s13280-012-0247-8
Fessehaye M., Abdul-Wahab S.A., Savage M.J., Kohler T., Gherezghiher T., Hurni H. Fog-water collection for community use // Renew. Sustain. Energ. Rev. 2014. Vol. 29. P. 52-62. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.08.063
Domen J.K., Stringfellow W.T., Camarillo M.K., Gulati S. Fog water as an alternative and sustainable water resource // Clean Techn. Environ. Policy. 2014. Vol. 16. P. 235-249. https://doi.org/10.1007/s10098-013-0645-z
Ghosh R., Ray T.K., Ganguly R. Cooling tower fog harvesting in power plants – A pilot study // Energy. 2015. Vol. 89. P. 1018-1028. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.06.050
Dower S. Clouds on tap // SA Waterbulletin. 2002. Vol. 28. Р. 15-17. https://journals.co.za/doi/pdf/10.10520/EJC115249
Попова Т.Н., Уколов А.И., Гаврилов Н.И., Василенко К.С., Поздняков Д.В. Исследование эффективности сбора воды из тумана в климатических условиях Керченского полуострова // Наука, образование, молодежь: горизонты развития. Мат. II Нац. науч.-практ. конф. Керчь, 19 марта 2022 г. Керчь, КГМТУ, 2022. C. 60-65. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48289733&pff=1
Azad M.A.K., Ellerbrok D., Barthlott W., Koch K. Fog collecting biomimetic surfaces: Influence of microstructure and wettability // Bioinspir. Biomim. 2015. Vol. 10. 016004. https://doi.org/10.1088/1748-3190/10/1/016004
Bai H., Zhang C., Long Z., Geng H., Ba T., Fan Y., Yu C., Li K., Cao M., Jiang L. A hierarchical hydrophilic/hydrophobic cooperative fog collector possessing self-pumped droplet delivering ability // J. Mater. Chem. A. 2018. Vol. 6. P. 20966 20972. https://doi.org/10.1039/C8TA08267G
Zhou H., Zhang M., Li C., Gao C., Zheng Y. Excellent fog-droplets collector via integrative janus membrane and conical spine with micro/nanostructures // Small. 2018. Vol. 14. 1801335. https://doi.org/10.1002/smll.201801335
Kim N.K., Kang D.H., Eom H., Kang H.W. Biomimetic fog harvesting surface by photo-induced micro-patterning of zinc-oxide silver hierarchical nanostructures // Appl. Surf. Sci. 2019. Vol. 470. P. 161-167. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.132
Azeem M., Noman M.T., Wiener J., Petru M., Louda P. Structural design of efficient fog collectors: A review // Environmental Technology and Innovation. 2020. Vol. 20. 101169. https://doi.org/10.1016/j.eti.2020.101169
Bai H., Zhao T., Wang X., Wu Y., Li K., Yu C., Jiang L., Cao M. Cactus kirigami for efficient fog harvesting: Simplifying a 3D cactus into 2D paper art // J. Mater. Chem. A. 2020. Vol. 8. P. 13452-13458. https://doi.org/10.1039/D0TA01204A
Gurera D., Bhushan B. Optimization of bioinspired conical surfaces for water collection from fog // J. Colloid Interface Sci. 2019. Vol. 551. P. 26-38. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.05.015
Shi W., Anderson M.J., Tulkoff J.B., Kennedy B.S., Boreyko J.B. Fog harvesting with harps // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 10. P. 11979-11986. https://doi.org/10.1021/acsami.7b17488
Ganesh V.A., Ranganath A.S., Baji A., Raut H.K., Sahay R., Ramakrishna S. Hierarchical structured electrospun nanofibers for improved fog harvesting applications // Macromol. Mater. Eng. 2017. Vol. 302. 1600387. https://doi.org/10.1002/mame.201600387
Brown P.S., Bhushan B. Bioinspired materials for water supply and management: water collection, water purification and separation of water from oil // Philos. Trans. R. Soc. A. 2016. Vol. 374. 20160135. https://doi.org/10.1098/rsta.2016.0135
Szewczyk P.K., Knapczyk-Korczak J., Ura D.P., Metwally S., Gruszczyński A., Stachewicz U. Biomimicking wetting properties of spider web from Linothele megatheloides with electrospun fibers // Mater. Lett. 2018. Vol. 233. P. 211-214. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.09.007
Schemenauer R.S., Cereceda P. A proposed standard fog collector for use in highelevation regions // JAMC. 1994. Vol. 33. P. 1313-1322. https://doi.org/10.1175/1520-0450(1994)0331313:APSFCF>2.0.CO;2
De Dios Rivera J. Aerodynamic collection efficiency of fog water collectors // Atmos. Res. 2011. Vol. 102. P. 335-342. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2011.08.005
Park K.-C., Chhatre S.S., Srinivasan S., Cohen R.E. McKinley G.H. Optimal design of permeable fiber network structures for fog harvesting // Langmuir. 2013. Vol. 29. P. 13269-13277. https://doi.org/10.1021/la402409f
Rajaram M., Heng X., Oza M., Luo C. Enhancement of fog-collection efficiency of a Raschel mesh using surface coatings and local geometric changes // Colloid. Surface Physicochem. Eng. Aspect. 2016. Vol. 508. P. 218-229. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.08.034
Regalado C.M., Ritter A. The design of an optimal fog water collector: A theoretical analysis // Atmos. Res. 2016. Vol. 178 179. P. 45-54. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2016.03.006
Fernandez D.M., Torregrosa A., Weiss-Penzias P.S., Zhang B.J., Sorensen D., Cohen R.E., McKinley G.H., Kleingartner J., Oliphant A., Bowman M. Fog water collection effectiveness: Mesh intercomparisons // Aerosol Air Qual. Res. 2018.
Vol. 18. P. 270-283. https://doi.org/10.4209/aaqr.2017.01.0040
Montecinos S., Carvajal D., Cereceda P., Concha M. Collection efficiency of fog events // Atmos. Res. 2018. Vol. 209. P. 163-169. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2018.04.004
Holmes R., de Dios Rivera J., de la Jara E. Large fog collectors: New strategies for collection efficiency and structural response to wind pressure // Atmos. Res. 2015. Vol. 51. P. 236-249. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2014.06.005
Cao M., Ju J., Li K., Dou S., Liu K., Jiang L. Facile and large-scale fabrication of a cactus-inspired continuous fog collector // Adv. Funct. Mater. 2014. Vol. 24. P. 3235-3240. https://doi.org/10.1002/adfm.201303661
Heng X., Luo C. Bioinspired plate-based fog collectors // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. Vol. 6. P. 16257-16266. https://doi.org/10.1021/am504457f
Lummerich A., Tiedemann K.J. Fog water harvesting on the verge of economic competitiveness // Erdkunde. 2011. Vol. 65. P. 305-306. https://doi.org/10.3112/erdkunde.2011.03.07
Azeem M., Guérin A., Dumais T., Caminos L., Goldstein R.E., Pesci A.I., de Dios Rivera J., Torres M.J., Wiener J., Campos J.L., Dumais J. Optimal design of multilayer fog collectors // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. Vol. 12. P. 7736-7743. https://doi.org/10.1021/acsami.9b19727
Guo R., Bai Y., Pei X., Lai Z. Numerical investigation of aerodynamics and wake on biplane airfoils at high angles of attack // Int. J. Mech. Sci. 2021. Vol. 205. 106606. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106606
Mansouri Z., Belamadi R. The influence of inlet swirl intensity and hot-streak on aerodynamics and thermal characteristics of a high pressure turbine vane // CJA. 2021. Vol. 34. P. 66-78. https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.12.036
Qi R., Ng D., Cormier B.R., Mannan M.S. Numerical simulations of LNG vapor dispersion in Brayton Fire Training Field tests with ANSYS CFX // Journal of Hazardous Materials. 2010. Vol. 183. P. 51-61. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.06.090
Коновалов В.В., Любимова Т.П. Численное исследование влияния вибраций на взаимодействие в ансамбле газовых пузырьков и твердых частиц в жидкости // Вычисл. мех. сплош. сред. 2019. Т. 12, № 1. С. 48-56. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.1.5
Carvajal D., Silva-Llanca L., Larraguibel D., González B. On the aerodynamic fog collection efficiency of fog water collectors via three-dimensional numerical simulations // Atmos. Res. 2020. Vol. 245. 105123. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105123
Yan X., Jiang Y. Numerical evaluation of the fog collection potential of electrostatically enhanced fog collector //
Atmos. Res. 2021. Vol. 248. 105251. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105251
Михайленко К.И. Исследование вычислительных сеток для моделирования динамики воздуха в канале вихревой трубы средствами пакета OpenFOAM // Вычисл. мех. сплош. сред. 2022. Т. 15, № 1. С. 56-66. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.1.5
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.