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纳米流体强化传热机理研究

李强  
【摘要】:随着对热交换设备换热表面强化传热技术研究的深入,换热工质的传热性能已成为影响热交换设备高效紧凑性能的一个主要因素,低导热系数的换热工质已成为研究新一代高效冷却技术的主要障碍。 提高液体导热系数的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。迄今为止,在液体中添加的粒子都局限于毫米或微米级,由于这些毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起磨损、堵塞等不良结果,而大大限制了其在工业实际中的应用。 纳米材料科学的迅速发展给强化传热领域带来了新的机遇,有学者提出了一个崭新的概念—纳米流体:即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子,形成一类新的传热冷却工质。 本文围绕纳米流体的制备与悬浮稳定性研究、纳米流体输运参数的测量、纳米流体聚集结构与导热系数模拟、纳米流体的流动与对流换热特性以及航天用纳米流体强化传热技术研究等几方面内容,研究纳米流体强化传热的机理和性能。主要工作包括以下几个方面: 1.纳米流体的制备及悬浮稳定性研究 通过将纳米粒子与液体直接混合的两步法,并采用添加分散剂、超声振动等方法,制备了几种不同类型的纳米流体,获得悬浮稳定的纳米流体。 实验结果表明,纳米流体的悬浮稳定性受到纳米粒子的属性、尺寸及液体种类等因素的影响,同时,活性剂和分散剂的性质也是影响纳米粒子分散均匀性的另一个因素。 2.纳米流体输运参数实验研究 研制了瞬态热线装置,测量了不同种类、不同体积浓度的纳米流体的导热系数。实验结果表明,在液体中添加纳米粒子显著增加了悬浮液的导热系数,纳米流体的导热系数随纳米粒子体积份额的增加呈线性增大,但对于不同类型的纳米流体,由于纳米粒子属性、尺度及纳米流体悬浮稳定性的影响,纳米流体导热系数增加的比例不同。 采用NXE-1型粘度计测量了纳米流体的粘度。实验结果表明,纳米粒子改变了纳米流体的粘度,纳米粒子的体积份额、属性、尺度及纳米流体悬浮稳定性都是影响纳米流体粘度的因素。 从添加纳米粒子改变了液体结构和纳米粒子微运动两个方面分析纳米流体强化 摘要 博士论文 导热系数的机理。测量了不同温度下纳米流体的导热系数,实验结果表明,纳米流体 的导热系数随温度的升高而增大,验证了纳米粒子微运动是纳米流体强化导热系数的 主要因素。 3.纳米流体聚集结构与导热系数模拟 运用布朗运动理论建立了模拟纳米粒子无规则运动的DLCA模型,研究了纳米流 体的分形结构。表征纳米粒子分布形态和分形结构特征的分形维数随纳米粒子的大 小、体积浓度和扩散时间步长等参数的变化而变化。 考虑纳米流体聚集结构,从添加纳米粒子改变了液体结构和纳米粒子微运动两个 方面提出了纳米流体导热系数理论公式,纳米流体导热系数由静态与动态两部分组 成。静态导热系数是纳米粒子改变液体结构造成的,用较为简便的Maxwen公式计算; 动态导热系数是由纳米粒子微运动引起,它与粒子的体积份额、尺度、纳米流体粘度、 粒子的聚集程度以及流体温度有关。计算了纳米流体的导热系数,分析了纳米粒子粒 径、粒子团聚集结构、流体温度等对纳米流体导热系数的影响,与实验结果对比表明 理论预测值与实验结果相符。 4.纳米流体流动与对流换热特性 建立了测量圆管内纳米流体对流换热系数的实验系统,测量了不同粒子体积份额 的水一一Cu纳米流体在雷诺数80介一25000范围内的管内对流换热系数,实验结果表明, 在液体中添加纳米粒子增大了液体的管内对流换热系数,增加了液体的传热效果,粒 子的体积份额是影响纳米流体对流换热系数的因素之一,在相同雷诺数条件下,纳米 流体的对流换热系数随粒子体积份额的增加而增大。另外,实验结果也表明,由于纳 米材料的小尺寸效应,其行为接近于液体分子,纳米流体的流动阻力并没有增加,不 会像毫米或微米级粒子易产生磨损、堵塞等不良结果。 建立了小通道扁管内纳米流体对流换热系数的实验系统,测量了不同粒子体积份 额的水一叫Cu纳米流体在Re数24介一2000范围内的小通道扁管内的对流换热系数,实 验结果表明,与纯水相比,小通道扁管内纳米流体的对流换热系数增大,传热性能增 强。小通道扁管内的流动阻力性能实验结果表明,与纯水相比,扁管纳米流体的阻力 系数并未明显增大,且不随纳米粒子的体积份额而变化。 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素,如流动状态、流体输运参数、粒子 体积份额、粒子的微对流和微扩散等,提出了计算悬浮有金属纳米粒子的纳米流体对 流换热系数的关联式。比较关联式的计算结果与实验数据,表明关联式正确地描述了 纳米流体对流换热过程,可以用来计算纳米流体的对流换热系数。 5.航天用纳米流体强化传热应用基础研究 博士论文 纳米流体强化传热机理研究 在航天用某型传热工质中添加铜纳米粒子,制备了航天用新型纳米流体。运用瞬 态热线法测量了原纯液体工质和新型纳米流体的导热系数和粘度,实验结果表明,添 加少量纳米粒子就可以显著增加液体的导热系数,新型纳米流


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