吕冬强
中冶华天南京工程技术有限公司，江苏 南京 210019
摘要：把水滴形成与运动机理运用在冷却塔雨区中，研究雨区中水滴形成、变形、碰撞、破碎等现象，分析了雨区内填料、循环水参数、逆流空气参数等因素对其影响，对水滴直径与这些现象的关系给出了合理的假设与预测。分析表明：水滴形成过程中雨区不同位置初始粒径的相互差异与填料布置及配水方式有关，水滴运动过程中的变形、破碎及碰撞均对粒径尺寸产生影响。分析还指出水滴变形、碰撞、破碎现象中韦伯数We均是影响其机制的关键因素，在未来的雨区水滴粒径研究中可以考虑把We作为划分雨区不同研究区域的依据，即认为We相近时水滴的运动机制相同，产生的水滴粒径尺寸分布也相近，进而对雨区进行多区域研究，以减小局部研究的误差，提高结果的准确性。
关键词：冷却塔；雨区；水滴；变形；破碎；碰撞
引言
冷却塔雨区由大量水滴构成，水滴的尺寸直接影响着雨区的换热和通风阻力，在实际冷却塔研究中，水滴粒径对研究的结果影响十分显著，可以代替众多水滴的当量直径或者相对准确的粒径分布，对于研究而言均是十分重要的。
1水滴的形成与滴落
1.1填料表面水滴的形成
冷却塔中喷淋设备将水喷洒到填料上，在填料表面上形成水膜逐渐变化成水滴后滴落。填料表面上形成的水滴和填料表面的几何形状有关系。主液滴的粒径和某一特定的几何表面的表面形状系数S有关系，对于较大的水平表面，S=1。而对于较窄的平面，S=π/2。对于每一个主液滴，大约都有5~6滴行星液滴，它们的直径在0.24~0.46倍主液滴粒径之间线性变化，由以上分析可以看出，理论上而言填料表面形成的水滴粒径在冷却塔雨区内各区域的分布是基本一致的。
1.2水滴的滴落
水滴形成后的滴落方式无疑也会对水滴直径产生一定的影响，水滴的滴落方式由韦伯数We决定：当We?1时，水滴以固定的质量M周期性的从水膜下落，称为周期性滴落，随着We数的增加，滴落机制开始发生变化，水滴的质量与尺寸也开始逐渐不同，称为龙头式滴水，当We继续增加时，水滴的滴落点会突然延长成水柱，水滴在水柱末端形成，称为射流滴落。冷却塔内，填料种类是一致的，粒径只与填料种类有关，所以粒径在冷却塔雨区内各处是一致的。
2水滴的下落
雨区中水滴下落期间会发生变形、破碎、碰撞等物理现象。
2.1水滴的变形
在冷却塔的研究和计算当中通常将水滴视为刚性球体，即认为其在下落过程中形态尺寸等不会发生变化，但在实际情况下，水滴在逆流空气中，受到空气阻力等不断的作用，其形态尺寸必然会发生变化。经分析可知水滴在下落变形过程中，其粒径只和逆流空气的运动速度，运动粘度，以及水滴的密度、表面张力、初始直径有关。
2.2水滴的破碎
液滴的破碎直接影响到周围流场、最终液滴的尺寸和散布。大量研究表明水滴的破碎主要和无量纲韦伯数We有关，随着We的增加，破碎主要有：袋式破碎、剪切破碎和爆炸破碎。
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由上述分析可知，随着We的增大，水滴的破碎程度增大，即We是水滴破碎的程度。当We相近时水滴的破碎机理相似。雨区内气水相对速度在任何情况下都不可能超过50m/s，所以雨区中的水滴破碎为袋式破碎。
2.3水滴的碰撞
雨区中水滴的个数不计其数，所以水滴之间的碰撞必然会发生。大量研究表明水滴的碰撞主要和无量纲韦伯数We有关，当碰撞水滴动能很低时，水滴将永久聚合，不会发生反弹。随着韦伯数We的增加，水滴的动能会增加，水滴会发生变形，水滴碰撞后会发生反弹分离的情况。韦伯数We继续增加时，水滴的动能继续升高，这时水滴会暂时聚合，形成圆盘状水滴，水滴之后振动几个周期后重新形成圆球状水滴。当水滴初始碰撞能量超过表面能时，水滴在振动作用下重新破碎成两个水滴。We继续增加到碰撞能量足够大时，会产生水滴间的韧性带，韧性带破碎之后将会分裂成更多细小的水滴。
雨区中水滴相互碰撞的结果只和碰撞时水滴的直径、速度等水滴本身的性质有关，与雨区内其它因素无关，雨区内水滴的下落速度在雨区内各处的差异不大，而碰撞时水滴的粒径则与水滴下落过程中水滴的变形和破碎等单个水滴运动特性有关。
3结论
分析表明可能造成雨区不同位置处水滴形成过程中粒径相互差异的因素是填料布置以及配水方式，即水滴形成过程中粒径可能随着填料布置以及配水方式的不同而产生差异。该结论基于对雨区内填料空隙间水膜表面形成水滴大小的合理假设。
雨区中水滴碰撞产生的结果取决于水滴的变形与破碎。水滴在雨区中会发生形变，水滴形状的变化会导致水滴粒径发生变化，变化后的粒径尺寸只和塔内逆流空气的运动速度，运动粘度，以及水滴的密度、表面张力、初始直径有关，其中会导致雨区内各区域水滴变形后粒径尺寸不同的因素是水滴的初始直径以及逆流空气速度。雨区内气水相对速度在任何情况下都不可能超过50m/s，故水滴在雨区内各处的破碎方式均为袋式破碎。
雨区工作展望与预测
雨区中水滴的运动是一个非常繁复冗杂的物理过程，在水滴下落期间会发生水滴的变形、破碎及碰撞等物理现象，而这些物理现象之间又会有明显的相互影响，如水滴在变形到一定程度时会发生破碎，而水滴破碎之后产生的水滴又有可能会相互碰撞，进而又有可能产生水滴的变形破碎等现象。如果对水滴下落过程中的物理过程作为整体进行分析将会十分复杂困难，可行性比较低。而且研究过程中并不需要完全清楚水滴下落过程中所发生物理现象的具体细节，我们关注的是水滴的各种物理现象在雨区不同区域中有何不同，以及这些物理现象会对水滴直径造成何种影响，所以基于以上分析，对于水滴下落过程中发生的物理现象进行单独分析将不失为一种合理的方法。
水滴的形成、滴落、变形、破碎、碰撞等现象中韦伯数We都是关键影响因素，在工程实际中需要可以代表某一区域的水滴直径，而非每一滴水滴的粒径，并且在实际测量中不可能对雨区的各区域都进行测量，所以可以合理假设当雨区内某几个区域的We数相差不大时，这几个区域的滴落、破碎与碰撞机制相同，水滴滴落、破碎以及碰撞后产生的水滴粒径的大小与分布也相近，即在未来雨区水滴当量直径研究中不在单纯做局部研究，而是把We数相同的区域作为整体进行测量区域的选取进而开展多区域研究，为求取雨区当量直径及雨区阻力的精确计算做准备，这不仅可以减少测量研究的工作量，同时也比以往雨区直径单纯的局部研究更为精确合理。
参考文献
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