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纳米流体强化传热的实验和数值模拟研究

张邵波  
【摘要】:本文围绕纳米流体对流换热特性展开,结合纳米流体导热及粘度的实验和理论分析,探讨影响纳米流体对流换热特性的主要因素。同时基于格子Boltzmann方法,从介观角度揭示纳米流体强化传热的实质,并为实验结果及理论分析寻求依据。 实验对CuO、SiO2、Al2O3水基纳米流体导热、粘度和对流换热特性进行了测试。测试了在不同粒径尺度、不同颗粒材料,在不同体积浓度条件下纳米流体导热系数的变化,实验结果表明,纳米流体导热系数随体积浓度的增大而增加;随颗粒粒径的减小而增大;纳米流体导热系数与颗粒材料导热系数成正比。通过纳米流体的导热系数的机理分析,得出影响纳米流体导热系数的两个重要因素:固液界面膜效应以及团聚体分布。 通过对粘度的实验分析可知,低浓度纳米流体还属于理想牛顿流体范畴,悬浮液的粘度与体积浓度基本呈线性关系;纳米颗粒粒径对悬浮液粘度的影响非常显著,粒径越小,粘度增加越大。在本文的实验中,对于7nm SiO2纳米流体,在体积浓度为2%的条件下,与纯水相比,粘度增加了近一倍还多;pH值对纳米流体粘度的影响具有特殊意义,其对颗粒粒径小于20nm的纳米流体粘度影响较为显著,而对于粒径大于20nm的悬浮液粘度影响并不明显。并且不同粒径的粘度对pH值响应范围是不同的,而且随着粒径的增大,粘度峰值出现碱性偏移的现象。 在纳米流体对流换热特性试验研究中,在相同Re条件下,与去离子水相比,不同材料纳米流体对流换热系数都有显著提高,且对流换热系数随颗粒体积浓度的增加而增大。随导热系数的增大而增加。对于同种材料不同粒径纳米流体对流换热系数的对比,我们发现,SiO2、Al2O3水基纳米流体对流换热系数随颗粒粒径的减小而增加;而在CuO-水纳米流体对流换热实验中,在湍流段对流换热系数是随着粒径的增加而增大。分析其原因在于,在湍流范围内,由于SiO2纳米流体具有较高粘度,其惯性力也就越大,对热边界层的破坏能力越强,因此,7nmSiO2纳米流体对流换热系数仍然高于40nmSiO2纳米流体。而对于CuO-水纳米流体,由于其粘度变化并不明显,且小尺寸粒径纳米流体导热优势被湍流效应所取代,而尺寸较大的CuO颗粒或团聚体出现在边界附近几率明显较大,进而降低了热边界层,因此,宏观体现为对流换热系数随颗粒粒径的增加而增大。 通过多组分LBM模型,引入了纳米粒子在液体中所受到的重力、浮力、相间阻力、粒子间的范德华引力以及布朗力。模拟了纳米流体管内流动与换热特性。在低Re条件下,从介观角度直观的揭示了颗粒布朗运动对换热特性的影响。从模拟结果可以看出,纳米粒子由于布朗运动的存在,与纯水温度分布相比,管内纳米流体温度分布并不均匀;CuO-水纳米流体对流换热系数随颗粒体积浓度的增加而增大,随粒径的增大而减小,与纯水相比,体积浓度为0.3%的纳米流体平均对流换热系数增大了5%左右,而体积浓度为0.5%和0.8%的纳米流体平均对流换热系数分别增加了11%,21%。同时,本文模拟了Re=800,1000,1200,1400四种条件下,三种粒径CuO-水纳米流体对流换热系数,与前期CuO-水纳米流体对流换热系数实验结果进行了对比,模拟结果与实验结果基本吻合,模拟结果与实验结果误差在5%以内,结果的对比也证明了格子Boltzmann SC模型的可行性与有效性,能够成功的模拟纳米流体的流动与换热特性。


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