Исследование охлаждения струи в потоке воздуха

Тема охлаждения жидкости путем сливания ее с высоты является достаточно актуальной для современной промышленности. По этому принципу работают градирни – устройства для охлаждения большого количества воды направленным потоком атмосферного воздуха.

Вода охлаждается, вначале представляя из себя тонкую струю, а затем распадаясь на капли.

Вода охлаждается теплопередачей с воздухом благодаря двум основным процессам: испарению воды с поверхности струи и теплоотдаче соприкосновением. Часть тепла уходит на излучение, но эта часть настолько мала, что ей, как правило, пренебрегают.

Основными параметрами, характеризующими состояние влажного воздуха, являются давление, температура, плот­ность, влагосодержание, относительная влажность, энтальпия. Эти параметры не являются независимыми.

В дальнейшем мы будем принимать, что степень охлаждения воды в струе зависит от достаточно большого количества параметров, большинство из которых являются табличными.

С достаточной степенью точности процесс падения струи можно разделить на два этапа: «ламинарный режим», при котором форма струи идеально ровная и определяется только силой поверхностного натяжения и силой тяжести, и «капельный режим», когда струя распадается на капли за счет неустойчивости Рэлея – Плато. В процессе полета капли меняют свою форму за счет лобового сопротивления. На каждом из этих этапов охлаждение струи обусловлено поверхностным испарением воды и теплоотдачей соприкосновением.

Также между этими двумя этапами может происходить потеря тепла за счет увеличения свободной поверхности жидкости в капельном режиме.

В результате исследования падения капель была получена система дифференциальных уравнений, решенных численно.

Для облегчения вычислений можно ввести для программы графическую оболочку. Решение системы было произведено в системе BorlandDelphi.

Программа позволяет оценить охлаждение струи в потоке воздуха в зависимости от достаточно большого количества параметров с удовлетворительной точностью. При помощи натурного эксперимента было произведено физическое моделирование системы, которое позволило оценить сходство данных, предоставляемых программой, с реальными. Также натурный эксперимент позволил с помощью методов размерностей, оценить характерные для системы критерии подобия.

Полученную программу можно использовать как элементарный пример компьютерного моделирования физических систем.