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减阻型纳米流体的管内流动与换热特性实验研究

廖亮  
【摘要】: 本文目的在于系统地研究纳米流体的流动和换热特性,以及利用纳米流体的强化换热特性解决减阻流体换热劣化的问题。论文总结了关于纳米粒子性质、纳米流体的制备、纳米流体的导热、对流换热和流动阻力等诸多文献,制备了添加表面分散剂和未添加表面分散剂的两种类型纳米流体(后一种以后称之为纳米粒子悬浮液),并测量了其导热系数、粘度等物性。本文对未添加表面分散剂的氧化铜(CuO)-水和碳纳米管(CNT)-水纳米粒子悬浮液进行了小管(内径1.02mm)内的流动和对流换热实验,实验雷诺数范围为500~10000,研究了其流动和换热特性,重点调查了液温对流动和换热特性的影响。此外,本研究制备了一种新型纳米流体:减阻型纳米流体,即结合阳离子表面活性剂减阻流体和纳米流体技术的一种新型工质,并对其进行了管内(内径25.6mm)流动和对流换热实验,实验雷诺数范围为10000~50000,研究了其流动和对流换热特性,重点考虑液温对它们的影响。最后针对纳米流体物性变化对换热特性的影响做了一些常规的数值计算,以确定在纳米流体的流动和换热中,微观纳米特性有多大影响。 通过对制备的CuO-水和CNT-水纳米粒子悬浮液的导热系数测量和粘度测量发现:悬浮液的纳米粒子浓度和悬浮液温度对悬浮液的导热系数都有着重要的影响,悬浮液的导热系数随着纳米粒子浓度和悬浮液温度的升高而升高,传统描述大颗粒固液混合物的导热系数模型不能准确的预测纳米悬浮液的导热系数。其原因为:由于纳米粒子的微小性,使其能够像分子一样产生热运动,液温的升高使纳米粒子的热运动增强,粒子与粒子、粒子与基液之间的热交换进一步增强,从而导致悬浮液导热系数强化率的提升。这一结论与以往的研究结果是一致的。 通过对小管内CuO-水和CNT-水纳米粒子悬浮液的流动阻力实验结果分析发现:CuO-水纳米悬浮液流动实验之后,管内表面有CuO纳米颗粒吸附沉降,沉降的纳米颗粒填塞在金属面表面缝隙中,降低了表面粗糙度,减小了流体的阻力,而CuO纳米流体和CNT-水悬浮液则未表现出降低阻力的现象,其原因也就是因为CuO纳米流体中的表面分散剂具有粘结作用,将纳米粒子粘结在管壁上形成不规则垢层,而CNT长径比大,并且相互团聚,从而都不能填塞管内壁缝隙而降低表面粗糙度。液温对悬浮液的流动阻力没有影响。 通过对小管内CuO-水和CNT-水纳米粒子悬浮液的对流换热实验结果分析发现:在常温、低浓度(质量份额小于等于2wt%)时,纳米悬浮液的对流换热特性可以按传统工质整理,而在浓度较高时(4wt%),悬浮液的换热能力相比纯水有所提高,体现出了一定的纳米特性。液温对悬浮液的换热特性有着很大的影响,58℃时,CuO-水和CNT-水悬浮液都表现出了纳米特性。其原因应为,浓度高、温度高时,纳米粒子的热运动更为强烈,粒子与粒子、粒子与基液热交换变得更加频繁。 通过对减阻型纳米流体的管内流动阻力和对流换热实验结果分析发现:本实验工况下(管径25.6mm),减阻流体的流动阻力和换热趋势与已有研究类似。减阻型纳米流体的最佳表面活性剂浓度为300ppm,减阻型纳米流体在22℃时,其减阻特性最好,减阻型纳米流体的换热特性也得到劣化,减阻型纳米流体在48℃时,减阻性能消失,而其换热特性最好,可灵活利用减阻型纳米流体流动阻力和换热特性对温度的依赖性,控制流动和换热特性,如果能实现将减阻型纳米流体的流动区域温度控制在22℃,而换热区域温度控制在48℃,那么减阻型纳米流体的综合强化效率将能达到3.0以上(以4wt%CNT减阻型纳米流体为例),减阻型纳米流体具有很大的工程应用价值。 通过关于CuO-水纳米减阻型纳米流体各物性对换热影响的数值计算发现:减阻型纳米流体的导热系数对换热系数的增强影响最大,其次为密度的影响,而比热和动力粘度则对换热起到了负面的影响,不过所有物性的综合影响对换热系数仍起到了强化效果。传统方程不能准确描述纳米悬浮液在较高温度下的换热特性。


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