新型材料在太阳能热电联用中的应用

通过高压微射流分散法制备了稳定的纳米流体.用激光粒度仪观察了分散前后的粒径分布.纳米流体中颗粒的小尺寸效应使其对太阳能辐射体现出了与普通材料不同的特殊光吸收特性.当颗粒粒径远小于入射波长时,颗粒散射特性远小于颗粒吸收作用,其散射作用可以忽略.试验测试了多种颗粒粒径SiO2纳米流体的透射率.用太阳能模拟发生器模拟太阳能辐射,对表面加SiO2纳米流体的电池板的性能进行了试验研究,分析了SiO2纳米流体对电池板的开路电压、最大功率以及工作温度的影响.结果显示若能利用纳米颗粒特殊的光学性质改变介质某一波段的辐射特性,探索一种对太阳能可见光高透过、其他波段高吸收的纳米流体,将有望极大的提高热电联用系统的太阳能利用率.     

金属纳米颗粒光散射特性研究

采用基于有限元的数值模拟方法,建立微晶硅衬底上单个金属纳米颗粒与光相互作用的三维(3D)模型,分别计算不同半径的Ag、Al、Au和Cu球状纳米颗粒的散射截面、吸收截面、散射效率及耦合效率。结果表明:随着金属纳米球半径R的增大,表面等离激元偶极共振峰发生红移且展宽,同时颗粒的归一化吸收截面快速下降;在中长波段(500~1100 nm),颗粒的散射效率随R的增大而增大,但耦合效率则呈现单调下降趋势。在相同尺寸的Ag、Al、Au和Cu颗粒中,Au和Cu的吸收截面较大,当R=50 nm时,Au和Cu颗粒的吸收截面甚至大于其散射截面,二者在中短波段(300~550 nm)的散射效率明显偏低。另外,金属纳米颗粒的耦合效率对颗粒成分变化不敏感。     

Cu-H_2O纳米流体流动与强化换热的数值模拟研究

模拟纳米流体在三维管道中的流动和强化传热过程,运用数值计算方法研究纳米流体的流动特性和传热机理,探究不同纳米颗粒体积分数和不同纳米颗粒大小在不同雷诺数(Re)下对纳米流体的流动和传热特性的影响。基于DPM模型对纳米流体在圆管中的对流换热进行了数值模拟研究,研究结果表明,在一定范围内,每增加0.5%的体积分数,纳米流体的传热性能平均增强7.82%。随着纳米颗粒的减小,纳米流体的传热系数不断增加。     

纳米流体动态湿润的格子-Boltzmann模拟

纳米流体动态湿润特性与纳米颗粒的微观运动密切相关。由于缺乏纳米尺度的实验观测技术及相关理论描述,纳米流体动态湿润的研究极具挑战,相关机理仍未明晰。采用格子-Boltzmann方法研究纳米颗粒在纳米尺度下(10-9 m)的微观运动及颗粒沉积所导致的基液流体表面张力、流变性改变及结构分离压力对宏观动态湿润(10-3 m)的影响机制。结果表明,纳米颗粒对基液的表面张力的改性影响纳米流体平衡湿润特性,决定纳米流体是完全浸润还是部分浸润。而纳米颗粒对基液流体流变性的改变影响纳米流体动态湿润过程的铺展指数。纳米颗粒在液滴底部的沉积对动态湿润过程影响较小,而在接触线区域的沉积显著改变纳米流体的动态湿润行为。研究尝试从跨尺度的角度阐释纳米颗粒微观运动对宏观动态湿润行为的影响,探索从微观层面调控纳米流体动态湿润的新方法。     

纳米流体Rayleigh-Bénard细胞流的格子-Boltzmann模拟

采用热格子-Boltzmann方法,对两平行平板间纳米流体的Rayleigh-Bénard细胞流现象及其影响因素进行数值模拟研究,模型计算结果与方腔内纳米流体的自然对流实验结果吻合较好。讨论了纳米颗粒种类(Al2O3、Cu和SiO2)、体积分数(1%～4%)等因素对细胞流流动和传热的影响。研究发现平板间纳米流体的Rayleigh-Bénard细胞流的流动和传热行为明显异于纯流体,同时发现纳米流体的热导率、黏度和颗粒的热运动共同决定细胞流的流场和温度场分布的规律:热导率越大、布朗运动的越强,会减小流体温度的非均匀性,削弱对流作用,使其细胞流对涡个数减小;黏度增大也会抑制细胞流的发展。     

基于水基SiO_2纳米流体PV/T系统辐射性能研究

为研究辐射在水基SiO_2纳米流体PV/T系统的传递特性,用两步法制备不同的水基SiO_2纳米流体。利用分光分度仪测试不同工质在不同光程和体积分数下的透射率,结合Mie和Rayleigh散射理论建立系统的辐射传递模型,同时对该系统进行了实验测试。结果表明:水基SiO_2纳米流体对光电可用辐射有高透过性,对低频辐射有高吸收性,与Si-PV光伏响应曲线基本匹配;当流体体积分数小于0.5%时,透射率实验值与理论值吻合度好;当光程大于10 mm时,90%的低频辐射被工质吸收,低于80%的光电可利用辐射传递到Si-PV表面;以水基SiO_2纳米流体作为PV/T辐射分频工质,可有效降低Si-PV的温升速率,且其光热总效率可达75%以上。     

超临界Cu-水纳米流体热导率分子动力学研究

采用平衡分子动力学方法研究了在超临界水中加入铜纳米颗粒后,系统温度、颗粒尺寸和质量分数等影响因素对纳米流体热导率的影响。结果表明:纳米流体的热导率随温度的升高而增大,纳米流体颗粒尺寸增加或者质量分数增加也会使整个系统的热导率增大。     

油基CuO和HgS纳米流体的光热转换特性研究

以氙灯作为模拟太阳光源,实验研究CuO和HgS纳米流体的光热转换特性。与透明导热油相比,浓度为0.1 mg/m L的CuO纳米流体和浓度为1.0 mg/m L的HgS纳米流体的光热转换效率可分别提升35%和27%。随着浓度的增大,由于表面效应,CuO纳米流体的温升出现饱和现象,而HgS纳米流体则未出现类似现象。分析表明:对于CuO和HgS纳米流体而言,光热转换效率的提高分别是由于纳米颗粒的吸收和散射2种效应所导致的。该研究揭示出具有不同光谱吸收特性的纳米流体其提高光热转换效率的机制有所不同,有助于在太阳能光热转换应用中纳米流体的合理选择。     

纳米流体粘度的实验测量及预测建模研究进展

纳米流体因具有较好的传热性能而被认为是未来极具发展前景的强化传热工质,其粘度特性是研究纳米流体的关键。本文对四种常用水基纳米流体的粘度实验数据进行了统计分析,定量评估了纳米颗粒体积分数、温度与纳米颗粒尺寸三种因素对纳米流体粘度的影响规律。在此基础上,分类讨论了不同纳米流体粘度理论模型的局限性,综述了人工神经网络在纳米流体粘度预测建模中的应用现状。研究结果表明,纳米颗粒体积分数与温度是影响纳米流体粘度的重要因素,而纳米颗粒尺寸对纳米流体粘度的影响特征至今尚未完全确定;此外,受纳米颗粒小尺寸特征、纳米流体制备工艺以及测试技术等诸多因素的影响,有关纳米流体粘度的理论建模与人工神经网络预测均还处于起步阶段,如何有效实现纳米流体粘度的建模预测将成为纳米流体未来发展的重要方向之一。     

水基纳米流体流动与换热数值模拟

采用两步法制备体积分数φ为0.001%、0.01%、0.1%的Al_2O_3-H_2O纳米流体,运用热力学相关式进行计算,并采用Lattice Boltzmann方法模拟圆管内Al_2O_3-H_2O纳米流体的流动与换热,研究分析不同纳米粒子体积分数和粒径对纳米流体平均Nu数的影响。结果表明,不同体积分数的Al_2O_3-H_2O纳米流体,随着纳米颗粒的运动,边界层发生变化,其流动特性和换热特性也受到影响,对于相同位置的纳米流体,当体积浓度为0.9%、0.5%、0.1%时,平均Nu数分别为21、17.8、16,随着纳米颗粒体积分数越大,其平均Nu数越大,即换热强度越大。当纳米颗粒为20 nm,Re数为1000、3000、5000、7000、9000时,平均Nu数分别为11.5、14.5、18、20、21.5,随着Re数的增加,纳米流体的强化换热效果越好。     

高温宽粒径氧化铝颗粒辐射特性研究

基于Mie散射理论研究了温度分布为400～1 000℃,粒径分布为0.1～20.0 mm的单个氧化铝颗粒的辐射特性参数。研究发现,当温度处于400～1 000℃时,直径为3.0 mm的氧化铝颗粒已基本满足大粒子辐射特性,而0.1～3.0 mm的氧化铝颗粒衰减效率因子、散射效率因子、吸收效率因子随粒径的增加而急剧衰减,散射反照率随粒径的增加而急剧增加。基于最小二乘法对温度分布为400～1 000℃,粒径分布为0.1～3.0 mm的氧化铝颗粒辐射特性效率因子进行拟合,拟合优度达到0.999以上,表明可以利用此非线性回归方程对此温阈、粒阈氧化铝颗粒辐射特性效率因子进行较精确的计算。     

CO_2制冷系统的气冷器用纳米流体强化换热的研究

为了提高气冷器换热效率,将纳米流体作为冷却剂应用于跨临界CO_2制冷循环的同轴套管气冷器中。研究纳米流体分别为石墨-H_2O、Al2O3-H_2O、Cu O-H_2O、Cu-H_2O对气冷器换热量以及系统COP的提高情况,以及质量流量和纳米颗粒的体积分数与纳米流体压降之间的关系。建立了物理和数学模型并利用Matlab进行编程模拟计算。结果表明,跨临界CO_2制冷系统的同轴套管气冷器中使用纳米流体作为冷却剂明显提高了换热效率和系统COP,不同的纳米颗粒材料、体积分数以及质量流量的纳米流体使气冷器的换热量和系统COP的提高程度也不同。     

封闭腔内Al_2O_3-EG纳米流体自然对流传热特性的数值研究

对梯形封闭腔内Al2O3-EG纳米流体自然对流传热进行了数值模拟,讨论了封闭腔尺寸比、瑞利数、纳米颗粒体积分数以及布朗运动对自然对流流动与传热特性的影响。数值模拟结果表明在考虑布朗运动时,腔体尺寸比与瑞利数对流动传热均有很大影响,且尺寸比为0.5时,对流换热平均Nusselt数达到最大值。随着纳米颗粒体积分数的增加,纳米流体换热效果逐渐增强;但当忽略布朗运动时,添加纳米颗粒削弱了换热效果。     

十四烷纳米流体导热系数影响因素探究

十四烷是工业中最常用的液态烷烃之一,常被用于有机溶剂，有重要的应用价值。相比于纯烷烃，烷烃基纳米流体具有许多 优异的性质，特别是导热系数的增强。本文采用实验与理论模型对比的方法，对一些影响十四烷基纳米流体导热系数的因素进行研究，包括纳米颗粒种类、浓度、温度以及稳定性。结果表明，本文中纳米流体的有效导热系数随纳米颗粒体积分数的增加而增加，随温度的升高而下降；在各种纳米颗粒中，碳纳米管对导热的增强最为显著，且碳纳米管流体具有最好稳定性。     

基于纳米流体的光伏热联用装置及其理论分析

利用纳米流体对太阳能辐射分频吸收与高效传热的性能,结合太阳能直接吸收(DAC)技术、菲涅尔聚光技术,构建了基于纳米流体的新型聚光太阳能光伏热联用(CPV/T)装置,并建立了装置的物理模型和能量平衡模型。采用计算流体力学方法进行模拟仿真和对比实验,分析了不同流速及流体工质下光伏组件及纳米流体的温度场。研究结果表明:基于纳米流体的CPV/T装置能够充分利用纳米流体辐射分频吸收与高效传热特性,取得对太阳能光伏组件冷却的更好效果,也获得了更高的光热部分流体出口温度;与仅背板冷却的普通光伏热装置相比,流体出口温度有较大幅度的提升,从而提高了光热部分的利用能级。     

偏振度对均匀折射率介质内矢量辐射传输过程中辐射熵产的影响

在半透明均匀折射率介质内矢量辐射传输过程中辐射熵传递方程及其数值模拟方法的基础上,研究了偏振度对矢量辐射传输过程中辐射熵产的影响。均匀折射率介质内辐射光束的起偏和改偏通过相距阵实现。计算结果表明:由介质内吸收发射过程的不可逆性产生的光谱辐射熵产数随着偏振度增加而减小,而由介质散射过程的不可逆性产生的光谱辐射熵产数随着偏振度增加而增加;偏振度对介质内的光谱辐射熵强度的影响很大,若不考虑偏振,光谱辐射熵强度的相对误差最大可达到18.04%;在整个系统中,光谱辐射熵产数满足热力学第二定律。     

活塞内冷油腔中纳米流体振荡流动与传热特性影响因素研究

采用计算流体力学的方法,研究了分别含Al₂O₃、Cu O、Si O₂的3种纳米机油在纳米颗粒体积分数为1%、3%、5%时相对于传统机油的振荡传热能力和机油在油腔内流动的规律。结果表明,纳米颗粒的加入改变了流体的物性参数,纳米流体的传热效果比传统机油更好,且内冷油腔的传热系数随着纳米流体体积分数的增加而增加,但对内冷油腔内瞬态机油的瞬态分布和充油率的影响不大;纳米流体的黏度、密度、导热系数、比热容都能影响内冷油腔的传热性能,密度的增加会使流体对壁面的冲击作用更强,从而增强油腔的传热能力;在纳米颗粒体积分数为5%时CuO纳米机油的传热系数比Al₂O₃、SiO₂纳米机油分别高8.2%和14.6%。     

纳米流体强化内燃机冷却系统流动的基础研究

利用高导热率、传热性能好的传热工质(纳米流体)替代传统冷却介质应用于内燃机冷却系统中,通过纳米流体流动特性的基础研究,为其在内燃机冷却系统中的应用提供理论基础支持.因此,利用试验方法对纳米流体在波壁管内的流动进行可视化研究,以期对纳米流体的流动机理进行详细的探讨,从而推动纳米流体在内燃机冷却系统中的应用.研究发现:纳米流体的黏度增加值不大,且随着温度的升高,增加值降低;而相同入口速度状态下,纳米流体在波壁管内的流动比纯水更为活跃,漩涡数量增多,质量传递特性增强,且随纳米颗粒浓度的增加,流动湍流效应增大.通过分子动力学方法发现纳米颗粒在纳米流体流动过程中存在强烈的旋转作用,从而出现微湍流流动效应,进一步强化了纳米流体的湍流流动效果.     

基于TiN-EG纳米流体的直接吸收式太阳集热系统性能实验研究

采用两步法制备稳定性较好的TiN-EG纳米流体。对该流体进行辐射特性实验研究,测量纳米流体的半球透射率及反射率,计算得出其吸收率参数,并计算纳米流体对太阳辐射的吸收率。进行光学性能分析后,筛选出合适质量分数的纳米流体,通过自搭建的直接吸收式太阳集热系统,分流量对其性能进行验证,加入菲涅耳透镜聚光使流体出口温度达到中温水平。结果表明,太阳辐照度是系统温升直接影响因素,温度变化响应时间短;且太阳辐照度变化不大时,流体出口温升随着流量的降低而大幅攀升。同时系统连续运行5 h无异常,说明系统的稳定性及数据之可靠性。     

纳米通道内纳米流体流动特性的分子动力学模拟

利用分子动力学方法对铜-氩纳米流体和基础流体在不同剪切速度下的纳米尺度的Couette流进行模拟计算。结果表明:在纳米尺度通道内,纳米流体流动过程中颗粒存在旋转运动和平移运动,从而加强湍流效果,强化传热并影响整个流动区域内的流动速度分布,造成纳米流体速度呈非线性分布。壁面和纳米颗粒表面都会形成一层排布更为规则的液体原子吸附层,吸附层内液体分子在流体流动过程中一直伴随着壁面和纳米颗粒进行运动,且吸附层具有"类固"特性,可以增强纳米流体的传热能力。