Численное моделирование аэродинамики стандартного коллектора тумана

Авторы

  • Алексей Иванович Уколов Керченский государственный морской технологический университет https://orcid.org/0000-0002-2467-3379
  • Татьяна Николаевна Попова Керченский государственный морской технологический университет

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.2.21

Ключевые слова:

туман, туманвода, численное моделирование, аэродинамическая эффективность сбора

Аннотация

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

Данные по скачиваниям пока не доступны.
Поддерживающие организации
Работа выполнена при финансовой поддержке Керченского государственного морского технологического университета по контракту № 121032200168-6.

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

2023-07-18

Выпуск

Раздел

Статьи

Как цитировать

Уколов, А. И., & Попова, Т. Н. (2023). Численное моделирование аэродинамики стандартного коллектора тумана. Вычислительная механика сплошных сред, 16(2), 242-255. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2023.16.2.21