Impingement of an axisymmetric liquid jet on a barrier

• Published in: International journal of heat and mass transfer Vol. 21; no. 9; pp. 1175 - 1184
• Main Authors: Nakoryakov, V.E., Pokusaev, B.G., Troyan, E.N.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Elsevier Ltd 01.01.1978
• ISSN: 0017-9310; 1879-2189
• DOI: 10.1016/0017-9310(78)90136-9

In some metallurgical and chemical engineering technologies utilization of heavy liquid jets impinging onto a wall appears to be an effective tool for the enhancement of heat- and mass-transfer processes. The aim of the present work was to study, both theoretically and experimentally, hydrodynamics and mass transfer of a radial liquid jet impinging onto a horizontal plane. The whole field of the flow—from the stagnation point to the hydraulic jump—is described within the scope of approximations of the boundary-layer theory for both laminar and turbulent regimes of flow in a thin liquid layer. Simple formulas have been obtained for calculation of the friction factor, liquid layer thickness and the liquid surface velocity as a function of discharge parameters. Solution has been offered to the problem of mass transfer from the wall to a liquid layer for the whole laminar flow region upstream of the jump and simple working formulas have been obtained for calculation of the mass-transfer coefficient. Wall shear stresses, local and mean mass-transfer coefficients within the entire flow region have been measured by an electrodiffusion method in a wide range of liquid flow rates and the conditions at which the flow leaves the barrier. Hydrodynamic characteristics of the jet at the location of impact and of the hydraulic jump have also been studied. The experimental results are given in terms of generalized coordinates and compared with the appropriate theoretical equations. Dans quelques technologies métallurgiques et chimiques l'utilisation de jets liquides frappant une paroi est un moyen efficace d'accroitre le transfert massique ou thermique. Le but de cet article est d'étudier à la fois théoriquement et expérimentalement l'hydrodynamique et le transfert massique d'un jet liquide circulaire frappant un plan horizontal. Le champ de l'écoulement, du point d'arrêt au saut hydraulique, est décrit dans le cadre des approximations de la théorie de la couche limite pour les régimes laminaire et turbulent dans une mince couche liquide. On a obtenu des formules simples pour le calcul du frottement, de l'épaisseur de la couche liquide et de la vitesse à la surface du liquide en fonction des paramètres à la tuyère. Une solution est proposée pour le problème du transfert massique à la paroi pour la région laminaire avant le saut et on a obtenu des formules pratiques pour le calcul du coefficient du transfert massique. Les tensions pariétales, les coefficients locaux et moyens de transfert massique dans la région d'écoulement ont été mesurés par une méthode d'électrodiffusion, dans un large domaine de débits et de conditions pour lesquelles l'écoulement quitte la barrière. On a étudié aussi les caractéristiques hydrodynamiques du jet autour du point d'impact et du saut hydraulique. Les résultats expérimentaux sont donnés en fonction des coordonnées généralisées et comparés avec les équations théoriques appropriées. Für einige technologische Anwendungen der Metallurgie und der technischen Chemie erscheint das Aufprallen eines zähen Flüssigkeitsstrahls auf eine Wand als wirksames Mittel zur Verbesserung von Wärme- und Stoffübertragungsvorgängen. Ziel der voliegenden Arbeit war die theoretische und experimentelle Untersuchung von Hydrodynamik und Stofftransport in einem radial gerichteten Flüssigkeitsstrom nach Auftreffen auf eine horizontale Fläche. Das gesamte Strömungsfeld vom Staupunkt bis zum Wassersprung—wird im Rahmen der Vernachlässigungen der Grenzschichttheorie sowohl für den laminaren als auch für den turbulenten Bereich einer dünnen Strömungsschicht beschrieben. Man erhält einfache Formeln zur Berechnung des Reibungsfaktors, der Grenzschichtdicke und der Oberflächengeschwindigkeit der Flüssigkeit als Funktion der Strömungsparameter. Für das Problem des Stofftransports von der Wand an eine Flüssigkeitsschicht wird eine Lösung angeboten, gültig für das gesamte laminare Strömungsgebiet vor dem Wassersprung. Man erhält einfache Arbeitsformeln zur Berechnung des Stofftransportkoeffizienten. Die Wandschubspannung und die lokalen und globalen Stoffübergangskoeffizienten im gesamten Strömungsgebiet wurden mit Hilfe einer Elektrodiffusionsmethode gemessen, und zwar für einen weiten Bereich von Massenströmen und Abströmbedingungen vom Staukörper. Ebenso wurden die hydrodynamischen Eigenschaften des Strahls am Aufprallpunkt und beim Wassersprung untersucht. Die Versuchsergebnisse werden in normierten Koordinaten mitgeteilt und mit geeigneten theoretischen Beziehungen verglichen. B pядe тeчнoлoгий мeтaллypгичecкoй и чимичecкoй пpoмышлeннocтeй пoвышeниe эффeктивнocти пpoцeccoв тeплo- и мaccoпepeнoca дocтигaeтcя иcпoльзoвaниeм cтpyй тяжeлoй жидкocти, пaдaющич нa cтeнкy. Цeль нacтoящeй cтaтьи —тeopeтичecкoe и экcпepимeнтaльнoe иccлeдoвaниe гидpoдинaмики и мaccooбмeнa paдиaльнoй cтpyи жидкocти, нaбeгaющeй нa гopизoнтaльнyю плитy. B paмкaч пpиближeний тeopии пoгpaничнoгo cлoя oпиcaнo вce пoлe тeчeния oт кpитичecкoй тoчки вплoть дo гидpaвличecкoгo cкaчкa, кaк для лaминapнoгo тaк и тypбyлeнтнoгo peжимoв тeчeния в тoнкoм cлoe жидкocти. Пoлyчeны пpocтыe фopмyлы для pacчeтa кoэффициeнтa тpeния, тoлщины cлoя жидкocти, cкopocти жидкocти нa пoвepчнocти в зaвиcимocти oт pacчoдныч пapaмeтpoв. Peшeнa зaдaчa мaccooтдaчи oт cтeнки к cлoю жидкocти для вceй oблacти тeчeния вплoть дo cкaчкa в cлyчae лaминapнoгo peжимa тeчeния и пoлyчeны пpocтыe pacчeтныe фopмyлы для кoэффициeнтoв мaccooтдaчи. Иcпoльзyя элeктpoдиффyзиoнный мeтoд, измepeны кacaтeльныe нaпpяжeния тpeния нa cтeнкe, лoкaльныe и cpeдниe кoэффициeнты мaccooтдaчи вo вceй oблacти тeчeния жидкocти в шиpoкoм диaпaзoнe измeнeния pacчoдoв жидкocти и ycлoвий cливa жидкocти c пpeгpaды. Иccлeдoвaны тaкжe гидpoдинaмичecкиe чapaктepиcтики cтpyи в мecтe yдapa и гaдpaвличecкoгo cкaчкa. Peзyльтaты экcпepимeнтoв пpeдcтaвлeны в oбoбщeнныч кoopдинaтaч и coпocтaвлeны c cooтвeтcтвyющими pacчeтными фopмyлaми.