Численное моделирование аэродинамики стандартного коллектора тумана

Численное моделирование аэродинамики стандартного коллектора тумана

Автор: Уколов А.И., Попова Т.Н.

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 2 т.16, 2023 года.

Бесплатный доступ

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.

Еще

Туман, туманвода, численное моделирование, аэродинамическая эффективность сбора

Короткий адрес: https://sciup.org/143180517

IDR: 143180517   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.2.21

Список литературы Численное моделирование аэродинамики стандартного коллектора тумана

  • 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
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp