توصيفگر ها :
جمع‌آوري قطرات مه , پارچه‌هاي تجميع‌كننده , پارچه سه بعدي , راندمان آيروديناميك , راندمان دريافت , ضريب افت فشار پارچه , ديناميك سيالات محاسباتي
چكيده فارسي :
در سال‌هاي اخير، بروز مشكل كم آبي در جهان، بشر را بر آن داشته است كه به دنبال منابع جديد در تامين آب مورد نياز خود باشد. جمع‌آوري قطرات آب موجود در مه از جمله اين روش‌ها است كه قطرات مه توسط پارچه‌هايي با ساختار باز جمع‌آوري مي‌گردد. در پارچه‌هاي تجميع‌كننده مه، عوامل ساختاري پارچه مانند ظرافت الياف و نخ مورد استفاده در تهيه پارچه، تراكم بافت، فاكتور پوشانندگي و نحوه قرارگيري نخ‌ها در واحد ساختاري و هندسه بافت، نقش مهمي بر ميزان آب جمع‌آوري شده از مه و مدت زمان لازم براي شروع فرآيند جمع‌آوري مه دارد. از اين رو در اين پژوهش، تاثير عوامل ساختاري پارچه‌هاي تجميع‌كننده بر راندمان جمع‌آوري مه و مدت زمان رسيدن به حالت پايا بررسي شده و كارآيي پارچه‌هاي سه بعدي در فرآيند جمع‌آوري مه در مقايسه با پارچه‌هاي تاري پودي و حلقوي مورد ارزيابي قرار گرفته است. اين مطالعات با به كارگيري دو روش تجربي و شبيه‌سازي ديناميك سيالات محاسباتي انجام شد. مطالعات تجربي توسط دستگاهي كه با هدف ايجاد شرايطي مشابه جريان مه در محيط آزمايشگاه طراحي و ساخته شده بود، انجام گرفت.
بر اساس نتايج تجربي، در تمامي ساختارهاي تجميع‌كننده مه مورد بررسي، خصوصيات هندسي پارچه مانند ظرافت الياف، تراكم بافت، فاكتور پوشانندگي و هندسه بافت بر راندمان جمع‌آوري قطرات و مدت زمان رسيدن به حالت پايا تاثيرگذار است. به طور كلي در تمامي نمونه‌هاي مورد بررسي افزايش ظرافت الياف و افزايش فاكتور پوشانندگي موجب افزايش راندمان جمع‌آوري مه شده و با افزايش ظرافت الياف و كاهش فاصله بين الياف مجاور مدت زمان رسيدن به حالت پايا افزايش پيدا مي‌كند. بر خلاف پارچه‌هاي تاري‌پودي، در پارچه‌هاي حلقوي و سه بعدي دو جداره، علاوه بر خصوصيات هندسي مذكور، راستاي قرار گرفتن پارچه نيز بر راندمان جمع‌آوري قطرات و مدت زمان رسيدن به حالت پايا موثر است و با تغيير در راستاي قرارگيري پارچه حلقوي راندمان جمع‌آورري مه تا حدود 7/1 برابر و در پارچه سه بعدي دوجداره راندمان دريافت تا حدود 4/1 برابر و مدت زمان رسيدن به حالت پايا تا حدود 9 دقيقه افزايش يافت. همچنين بررسي‌هاي تجربي حاكي از آن است كه پارچه‌هاي سه بعدي دو جداره در مقايسه با ساير ساختارهاي مورد بررسي، بيشترين مقدار راندمان جمع‌آوري مه و مدت زمان رسيدن به حالت پايا را دارد. به طوري كه بيشترين مقدار راندمان جمع‌آوري مه اندازه‌گيري شده در پارچه‌هاي سه بعدي دو جداره حدود 9/1 برابر بيشترين مقدار راندمان در پارچه‌هاي تاري پودي و حدود 6/1 برابر بيشترين مقدار راندمان در پارچه‌هاي حلقوي به دست آمد. پارچه‌هاي سه بعدي دوجداره بر خلاف پارچه‌هاي تاري پودي و حلقوي كه مدت زمان رسيدن به حالت پايا در آن‌ها كمتر از 5 دقيقه است، در زماني بسيار طولاني‌تري، كه در برخي موارد به 30 دقيقه نيز مي‌رسد، به حالت پايا مي‌رسند.
شبيه‌سازي بر مبناي روش اويلري-لاگرانژي انجام شد و بر اين اساس مشخص شد كه تغييرات گراديان فشار در اثر تغيير سرعت جريان، در پارچه تاري پودي و پارچه سه بعدي، از رابطه فورچيمر پيروي مي‌كند و با افزايش فاكتور پوشانندگي پارچه، گراديان فشار نيز افزايش مي‌يابد. همچنين، شبيه‌سازي انجام شده براي تعيين ساختار تاري پودي بهينه در جمع‌آوري مه نشان دادكه در قطرهاي مختلف تك رشته‌ها، راندمان جمع‌آوري مه در فاكتور پوشانندگي بين 7/0 تا 8/0، به بيشترين مقدار خود مي‌رسد و با افزايش ظرافت الياف نيز مي‌توان مقدار بيشينه را افزايش داد.
نتايج شبيه‌سازي‌هاي انجام شده در پارچه‌هاي سه بعدي نيز بيانگر آن است كه علاوه برتاثير خصوصيات هندسي هر لايه بر راندمان جمع‌آوري مه، آرايش لايه‌هاي بيروني نسبت به يكديگر، آرايش نخ اتصال دهنده در پارچه و نحوه قرارگرفتن پارچه در برابر جريان مه نيز بر راندمان جمع‌آوري مه تاثيرگذار است. بر اين اساس، در پارچه سه بعدي هنگامي كه تراكم بافت لايه‌هاي بيروني با يكديگر متفاوت است و لايه با تراكم بافت كمتر در سمت ورودي جريان قرار مي‌گيرد، راندمان جمع‌آوري قطرات مه در حدود سه برابر نسبت به حالت عكس افزايش پيدا مي‌كند. همچنين حضور نخ اتصال دهنده دو لايه با آرايش قطري فضايي، موجب افزايش راندمان جمع‌آوري مه مي‌شود.
چكيده انگليسي :
In the recent years, severe water scarcity has become a major global concern to find new source of water. In order to alleviate water scarcity, fog collection have gained increasing attention as an efficient solution to overcome the water scarcity concerns in arid and semiarid environments. In the fog collection process, open fabric structures or fog collectors, were usually applied to separate fog water droplets suspended in the air.
Structural parameters of the fog collectors including fiber fineness, fiber density, fiber arrangement, shading coefficient, fabric cover factor and geometrical shape of the unit cell are the most effective parameters on the fog collection efficiency and onset time. In the present research, the effects of structural parameters of the different collector fabrics on the fog collection efficiency and onset time have been studied. Therefor the collection efficiencies and onset time of various conventional fabrics (plain-woven, plain-knitted, and 3-D spacer) with different characteristics were investigated using a custom-made fog collecting device. Moreover, a Computational Fluid Dynamics (CFD) method was employed to perform further analysis and the effects of the geometrical parameters of the woven meshes and 3D fabrics on aerodynamic collection efficiency and fog capture efficiency were estimated virtually by an Eulerian–Lagrangian numerical method in the steady state laminar fluid flow. The comparisons of the numerical simulation results with results of the experimental data and the results reported by the previous studies show the reliability of the simulation results.
The experimental results revealed that the fog collection efficiency and onset time of a collector fabric are affected by fiber diameter, distance between yarns and fabric cover factor. Increasing monofilaments fineness and fabric cover factor as well as decreasing the fiber spacing, improved the fog collection efficiency and elongated onset time of the fog collection process. Furthermore, the fog collection efficiency and onset time of a knitted and spacer fabric are not only influenced by the fiber diameter, distance between yarns and fabric cover factor, but also by fiber arrangements, geometrical shape of the fabric unit cell and test direction. For example, by changing the fabric test direction, fog collection efficiency of a plain knitted fabric and a 3D spacer fabric increased 1.7 and 1.4 times respectively and onset time of a 3D spacer fabric increased by 9 minute. In addition, 3D spacer fabrics showed highest value of collection efficiencies and onset time in comparison to the other examined meshes and the maximum collection efficiency of 3D spacer fabric is 1.9 and 1.6 times more than the maximum collection efficiency of plain woven and plain knitted fabrics, respectively. Despite the woven and knitted fabrics that the onset time is less than 5 minutes, 3D spacer fabrics have longer onset time, which some time exceeds 30 minutes.
The simulation results showed that there was a correlation between the air flow velocity and the pressure drop gradient according to the Forchheimer equation and the pressure gradient of a fabric increases with increasing the shading coefficient. In addition, the simulation results revealed that in the woven structure, the optimal shading coefficient is between 0.7 and 0.8 and with decreasing fiber diameter, the maximum collection efficiency is improved.
The simulation results for the 3D fabrics indicated that geometrical parameters of the outer surfaces, fiber arrangement in the outer surfaces and spacer fibers orientation affected the fog capture efficiency. Exposing the outer surface of the spacer fabric with less cover factor toward the fog flow increased fog capture efficiency three times and the diagonal configuration of the spacer fibers improved fog caption efficiency.
