纳米流体冲击射流换热特性实验

以纳米流体为工质对冲击射流冷却系统的综合性能进行实验,主要研究了添加纳米颗粒的纳米流体与水在不同流速、不同射流高度等条件下冲击射流的传热效率,同时也对不同种类的纳米流体的换热效率进行了对比。结果表明：对于添加了纳米颗粒的冲击射流冷却系统,传热效率得到显著提高,但当质量分数达到0.5%时,传热系数变化不明显。对于不同种类的纳米流体：Cu-水、Al₂O₃-水和Al-水纳米流体,其中Cu-水的换热效率最高,存在一个特定的射流高度,使传热系数达到最大值。研究结果对设计制造轻型紧凑的高效换热器有实用的工程价值。     

Experimental research on stabilities,thermophysical properties and heat transfer enhancement of nanofluids in heat exchanger systems

Stable TiO₂-water nanofluids are prepared by a two-step method, stabilities of nanofluids are investigated by precipitation method and transmittance method respectively, and thermal conductivities and viscosities are also measured. An experimental system for studying the heat transfer enhancement of nanofluids is established, and heat transfer and flow characteristics of TiO₂-water nanofluids in heat exchanger systems with a triangular tube and circular tube are experimentally studied. The effects of nanoparticle mass fractions (ω=0.1 wt%-0.5 wt%) and Reynolds numbers (Re=800-10000) on the heat transfer and flow performances of nanofluids are analyzed. Fitting formulas for Nusselt number and resistance coefficient of nanofluids in a triangular tube are put forward based on the experimental data. The comprehensive performances of nanofluids in a triangular tube are investigated. It is found that nanofluids in a triangular tube can significantly improve the heat transfer performance at the cost of a small increase in resistance coefficient compared with that in a circular tube, especially the resistance coefficients are almost the same between different nanoparticle mass fractions at turbulent flow. It is also found that the comprehensive evaluation index η decreases with Reynolds number at laminar flow but a critical maximum value appears at turbulent flow.     

Lightnin静态混合器内纳米流体湍流传热特性分析

静态混合器作为一种高效传热传质连续流强化设备,在化工过程强化技术中具有明显技术特色。由于缺乏纳米流体的物性对Lightnin静态混合器（LSM）内传热特性影响的研究,一定程度上制约了LSM强化传热应用的进一步推广。本文采用混合多相流模型和SST k-ω湍流模型,在Re=8000~28000和恒热流密度条件下,从熵产以及速度场与温度场的协同性等方面分析纳米颗粒的体积分数、种类及粒径大小对LSM内传热特性的影响。结果表明,随着Cu纳米颗粒体积分数的增加,纳米流体的综合传热性能及温度场与速度场的协同性能逐渐增强,总熵产率和Be数逐渐减小,体积分数为0.5%~2.0%的Cu-H₂O的纳米流体在Re=8000~28000范围内的综合传热性能系数（PEC）分别达到2.16~2.25、3.16~3.25、3.94~4.15及4.64~5.16。Cu-H₂O、Al₂O₃-H₂O及CuO-H₂O这3种纳米流体相比,Cu-H₂O纳米流体的强化传热性能要远好于其他两种纳米流体,Al₂O₃-H₂O及CuO-H₂O纳米流体的平均PEC分别是Cu-H₂O纳米流体的0.47倍和0.46倍。随着Cu纳米颗粒粒径的增加,纳米流体的综合传热性能和温度场与速度场的协同性能逐渐减弱,总熵产率和Be数逐渐增加。     

恒热流直管中纳米流体对流传热的实验研究(英文)

In this work, the laminar convective heat transfer performance and the pressure drop of water-based nanofluids containing Al2O3, TiO2 and SiO2 nanoparticles flowing through a straight circular tube were experimen-tally investigated. The experimental results showed that addition of small amounts of nano-sized Al2O3 and TiO2 particles to de-ionized water increased heat transfer coefficients considerably, while the SiO2 nanofluids showed the opposite behavior attracting the authors’ interests. An average of 16%and 8.2%increase in heat transfer coefficient were observed with the average of 28%and 15%penalty in pressure drop for Al2O3 and TiO2 nanofluids.     

Natural convection heat transfer enhancement of different nanofluids by adding dimple fins on a vertical channel wall

In this numerical study, natural flow and heat transfer of nanofluids with Al_2O_3, TiO_2, Cu and CNT nanoparticles in a vertical channel with dimpled fins at Rayleigh number(Ra) of Ra = 3.25 × 10~7 to Ra = 1 × 10~8 are investigated by using the finite volume method. The obtained results revealed that, using CNT in volume fractions of 2% and 4%leads to significant heat transfer and at φ = 6%, using TiO_2 nanoparticles has a great effect on Nu number enhancement. Also, using solid nanoparticles in base fluid causes more uniform heat transfer distribution,especially in areas close to heated surface and by adding more volume fraction in base fluid, temperature level reduces. In general, according to temperature contours, reduction of wall temperature depends on the increase of Ra and volume fraction and the type of solid nanoparticles.     

Experimental study on thermo-hydraulic performances of nanofluids flowing through a corrugated tube filled with copper foam in heat exchange systems

Thermo-hydraulic characteristics of TiO₂-water nanofluids in thin-wall stainless steel test tubes (corrugated tube and circular tube) filled with copper foam (40 PPI) are experimentally investigated and compared with those in test tubes without copper foam. The effects of nanoparticle mass concentration on flow and heat transfer performances are investigated. In addition, the mutual restriction relationships between Reynolds number (Re), Nusselt number (Nu) and resistance coefficient (f) are discussed respectively. Also, the comprehensive coefficient of performance (CCP) between heat transfer and pressure drop is evaluated. The results show that core-enhancement region for heat transfer using experimental tubes filled with copper foam is notably different from that of tubes without copper foam. There is a corresponding Reynolds number (about Re=2400) for the maximum CCP of each condition. And the heat transfer can be enhanced dramatically and sustained at 8000 ≤ Re ≤ 12000.     

三角形微通道内纳米流体流动与换热特性

以去离子水为基液,通过两步法制备出粒子体积分数为0.1%的SiO₂、Al₂O₃、TiO₂纳米流体,并分别在流体内添加一定量的表面活性剂以提高其稳定性。利用紫外分光光度计和热物性分析仪,对3种纳米流体稳定性和热导率进行测试。此外,为研究纳米流体在三角形微通道内的流动与换热特性,利用红外热像仪观察通道底面温度分布。结果表明,表面活性剂会对纳米流体吸光度产生影响,且粒子会随着时间的增加逐渐团聚。纳米颗粒的添加可有效提高工质的热导率并强化对流换热,微通道底面温度明显降低,且均温性得到改善。3种纳米流体中,TiO₂纳米流体呈现出更加良好的导热和换热性能。     

纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性

对去离子水及体积分数分别为0.15%和0.26%的水基γ-Al₂O₃纳米流体在当量直径为194.5 μm的硅基梯形芯片微通道内的层流流动和换热特性进行了实验研究。考察了Reynolds数、Prandtl数以及体积分数对流动换热的影响。结果发现,使用纳米流体后,压降无明显增加,纳米流体的流动阻力特性与去离子水基本相同;对流换热Nusselt数较去离子水有明显提高,且随着体积分数的增加而增加;相同泵功下换热热阻显著下降。实验还发现纳米流体的强化传热效果在较高温度时更加明显。根据实验数据得到了梯形硅微通道内低浓度纳米流体的层流对流换热关联式。研究结果对于集成高效芯片散热系统设计具有重要意义。     

基于尿素/氯化胆碱低共熔溶剂体系纳米流体制备及其热物性研究

随着电子工业的快速发展,传统换热工质由于其较低的热导率已无法满足越来越高的换热需求。另一方面,传统的换热工质受限其相对较窄的液程范围而无法使用于复杂的温况或特殊的工作条件。低共熔溶剂（DESs）具有与离子液体相似的低饱和蒸气压、高沸点及强稳定性等优势,在传热领域具有巨大的潜力。制备了以尿素/氯化胆碱低共熔溶剂体系为基液,石墨烯、Al₂O₃、TiO₂三种纳米粒子填充的纳米流体,研究了黏度、热导率等热物性与纳米粒子和基液组成之间的关系,并系统地研究了纳米粒子结构对其稳定性的影响。实验结果表明,纳米粒子的填充会在一定程度上增加基液的黏度,其中石墨烯填充的纳米流体的黏度增加最大。此外,石墨烯能显著提高DESs的导热性能,其中6%（质量）石墨烯纳米流体热导率相比基液可增加29.0%。     

粒径混合比对Al2O3/水纳米流体传热性能影响及评价

采用两步法制备体积分数为0.5%和1.0%的Al₂O₃/水纳米流体，研究20nm和50nm Al₂O₃纳米粒子的混合比对热导率和黏度的影响，并用c _μ/c _λ和Mo数来评价其综合传热效果，判断是否适用于实际传热过程。实验结果表明，有效热导率和相对黏度受团聚体尺寸影响较大。在体积分数为1.0%和混合比为50∶50时有效热导率的增幅最大，而混合比为（40∶60）～（60∶40）之间，相对黏度最低。这是因为此时团聚体的尺寸小，相应地沉淀速度慢，说明其分散性较好，形成局部粒子富集区，即“50nm固体粒子-20nm固体粒子-液体分子”的界面层，能产生高导热渗透通道及低热阻区，使热导率增大。在层流时，该纳米流体适用于实际传热过程中的范围为：体积分数0.5%和1.0%，混合比40∶60和50∶50，温度25～50℃。在紊流时，体积分数为0.5%和温度高于40℃时，混合比范围为(40∶60)～(60∶40)才适合使用此纳米流体。     

减阻型纳米流体在圆管内的流动和换热特性

实验测定了在Reynolds数4000～16000范围内,质量分数0～0.5%的石墨、多壁碳纳米管、Al₂O₃、Cu、Al、Fe₂O₃、Zn纳米粒子加入到100～400 mg·kg^-1浓度的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)减阻剂中所制备的减阻型纳米流体的摩擦阻力系数和对流传热系数。结果表明:在CTAC中加入水杨酸钠(NaSal)与去离子水所配制的减阻剂具有一定的稳定性和很强的减阻特性,当减阻剂浓度为200 mg·kg^-1时其减阻特性最优。石墨纳米粒子在增强对流换热和减少流动阻力方面具有较佳的综合性能,当石墨纳米颗粒质量分数为0.4%时,其综合性能因子K是去离子水的5倍。最后给出了减阻型石墨纳米流体在圆管内的流动阻力和换热关联式,其计算值和实验值吻合良好。     

Nucleate pool boiling heat transfer of δ-Al2O3-R141b nanofluid on horizontal plate

对δ-Al₂O₃-R141b纳米流体在0.1 MPa系统压力下进行了池内沸腾传热性能测试。沸腾表面为2000^#砂纸打磨的光滑紫铜表面,沸腾热通量为30～130 kW·m^-2,纳米流体的体积浓度为0.1%、0.01%、0.001%。实验表明纳米流体强化了沸腾传热特性,且强化倍数随着纳米流体浓度的增加而增大。体积浓度为0.1%时,沸腾传热系数比基液增大了50.2%。分析认为表面颗粒沉积是强化换热的主要因素,而接触角的变化在此可以忽略。与Rohsenow关联式相比较,纯液体和较低浓度的纳米流体的实验数据与关联式吻合较好,相对误差最大不超过13%,高浓度时吻合较差关联式不再适用。     

不同磁场作用下Fe3O4/water纳米流体层流流动对流传热系数的实验研究

对体积分数为3%的Fe₃O₄/water纳米流体在不同温度、不同磁场大小和方向的均匀磁场和梯度磁场作用下的对流换热进行了详细的实验研究。首先,开展了纳米流体能量方程的量纲1分析,讨论了纳米流体强化换热的机理。发现磁性纳米粒子所受到的磁力远远大于布朗运动力。实验测试结果与量纲1分析相吻合,在垂直均匀磁场作用下,纳米流体层流流动的平均对流传热系数提高了5.2%;在垂直梯度磁场作用下,平均对流传热系数提高了9.2%。而在水平均匀磁场作用下,纳米流体平均对流传热系数下降了4.8%。另外,随着温度的升高,对流传热系数均逐渐升高。     

DMLS微型换热器内纳米粒子浓度对Al2O3/R141b流动沸腾压降的影响

为探究纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降影响,运用超声波振动法制备质量分数为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%均匀、稳定的Al₂O₃/R141b纳米流体制冷剂,在直接激光烧结（DMLS）微型换热器中,设计系统压力为176 kPa,纳米流体制冷剂入口温度为40℃,在热通量21.2~38.2 kW·m^-2和质量流率183.13~457.83 kg·m^-2·s^-1工况下,研究纳米粒子浓度对Al₂O₃/R141b纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降影响。研究结果表明：纳米粒子浓度对纳米流体制冷剂在微细通道中流动沸腾气液两相压降有显著影响,气液两相压降随纳米流体制冷剂的纳米粒子浓度增加而减少,在纯制冷剂中R141b加入纳米粒子Al₂O₃,不同质量分数的纳米流体制冷剂流动沸腾气液两相压降降低5.5%~32.6%;通过SEM和表面静态接触角测试方法,发现纳米流体制冷剂沸腾气液两相压降随质量分数增加而减少的原因是纳米颗粒沉积在通道表面,增加了微通道表面的润湿性;对比国际上3种比较经典流动沸腾两相压降模型,并基于Qu-Mudawar关联式和Zhang关联式进行修正,得出两相压降结果的85%数据点位于修正后的关联式模型值的±15%范围之内,同时实验结果与修正后的模型结果偏差MAE值为11.7%,说明修正后关联式能有效预测本工况下实验值。     

三元混合纳米流体稳定性及热性能

采用两步法制备体积分数为0.005%～1%的Al₂O₃-TiO₂-Cu/水三元混合纳米流体,粒子体积比为40∶40∶20。为了提高其稳定性,添加少量的PVP（0.005%）表面活性剂,并用XRD、TEM、紫外分光光度计和沉淀观察法共同表征纳米流体的稳定特性。测量温度为20～60℃的黏度和热导率,并与相对应的单一纳米流体作对比。试验结果表明,三元混合纳米流体由于各种粒子的粒径和表面能不同,小粒径的Al₂O₃颗粒填充在大粒径TiO₂和Cu颗粒形成的间隙里,可形成致密的固液界面层。三元混合纳米流体由于粒子的特殊排布,使其热导率明显高于相同体积分数下对应的单一纳米流体,黏度却无明显增大。当体积分数和温度分别为1%和60℃时,与Al₂O₃/水纳米流体对比,其热导率增大了5.5%,黏度下降了2.6%。热导率随温度和浓度的升高而升高;而黏度随浓度的升高而升高,随温度的升高而下降,这与单一纳米流体的性质一致。最后,基于试验数据,对热导率和黏度分别进行与温度的拟合,R²分别为0.9835和0.9820,能较精确地预测Al₂O₃-TiO₂-Cu/水三元混合纳米流体的热导率和黏度。     

乙二醇基纳米流体黏度的实验研究

实验研究了3种乙二醇基纳米流体（Al₂O₃-EG、ZnO-EG、CuO-EG）在不同质量分数（0.5%/3.0%/5.0%/7.0%）下的相对黏度随温度的变化规律,实验所用乙二醇基纳米流体采用两步法配制获得。结果表明：在30～60℃温度范围内乙二醇基纳米流体的相对黏度同温度之间并无较强的函数关系（单调递增或递减）;但在质量分数较高时,3种乙二醇基纳米流体的相对黏度随温度的变化会出现波动,且以非球形颗粒的ZnO乙二醇基纳米流体的波动最为显著;乙二醇基纳米流体的相对黏度均随纳米颗粒体积分数的增大而增大,其中CuO乙二醇基纳米流体相对黏度的增长速度最快,Al₂O₃乙二醇基纳米流体的增长速度最慢。最后比较分析了文献中相对黏度预测公式与本文实验数据的相符程度。     

水基石墨烯纳米流体在矩形小槽道内的流动换热特性

测试了水基石墨烯纳米流体的部分热物性,研究了不同浓度、雷诺数(Re)和加热功率条件下水基石墨烯纳米流体作为换热工质在设计的矩形结构小槽道内的对流换热性能。结果表明,层流状态(Re=500~2000)下,矩形槽道壁面温度随Re增大逐渐降低,随加热功率增大逐渐升高,与常规流体换热特性一致;在相同Re和换热功率条件下,随纳米流体浓度增大,壁温逐渐减小;水基石墨烯纳米流体的换热强度比基液去离子水提升较大,Re=2000、加热功率为210 W时,浓度为0.03wt%的水基石墨烯纳米流体的平均努塞尔数(Nu)为9.3,比基液水提升48.8%;受入口效应影响,沿槽道长度局部对流换热系数逐渐减小,最高可达25674.5 [W/(m2?℃)],较基液水最大可提高39.1%;Re=500~1400时,石墨烯纳米流体的流动换热强度随Re增大明显增强;由实验数据结合理论模型拟合了适用于石墨烯纳米流体对流换热强度的计算式,计算结果与实验结果最大相对误差不超过25%,平均相对误差仅为4.8%。     

自旋扭带强化传热及旋转特性

旋转扭带是在固定式扭带基础上发展而来的, 因其特殊结构所以能在管内流体作用下产生自旋效果。本文对自旋式扭带旋转特性及强化传热特性进行研究。通过理论及实验研究管内自旋扭带旋转特性后得出:扭率越小, 扭带克服阻力起始旋转需要的流体速度越小;扭带转速与管内流体流速呈一次线性关系, 且扭带节距不变时线性比例基本保持不变。通过实验研究后得出:自旋扭带能达到很好的强化传热性能, 扭率越小其强化传热性能越明显, 同时阻力特性也越明显, 在雷诺数为4×10³～4×10⁴、扭率为3～8时, 换热管内摩擦因子增至1.7～3.5倍, 努赛尔数增幅为10%～37%。本文使用评估指标η对扭带进行综合评价, 得出扭率为7的自旋扭带具有最佳的综合性能。并分别拟合出摩擦因子及努赛尔数与雷诺数、扭率之间的关联式, 提出一种工程上自旋扭带选型方法。     

Heat transfer and pressure drop performance of alumina–water nanofluid in a flat vertical tube of a radiator

This work presents experimental investigation on the effects of nanofluid inlet temperature (40–90°C), Reynolds number (12,000–30,000), particle concentration (0–1 vol.%), and air velocity (0.25–0.55?m/s) on thermal and flow characteristics of water-based alumina nanofluids in a flat vertical tube of a radiator. The specific heat capacity, viscosity, density, and thermal conductivity were measured experimentally. The heat transfer coefficient enhanced (up to 31%) with an increase in fluid inlet temperature, particle volume concentration, Reynolds number as well as air inlet velocity. The pressure drop increased with an increase in the particle volume concentration and Reynolds number, while it decreased slightly with an increase in the fluid inlet temperature. The friction factor and pumping power increased with particle concentration. The friction factor decreased, while the pumping power increased with sn increase in fluid flow rate.     

Na2O-Al2O3-SiO2-P2O5玻璃的结构和析晶性能研究

采用熔融-淬冷法制备了不同(Al₂O₃+P₂O₅)含量的碱铝硅酸盐玻璃,通过拉曼光谱、X射线衍射光谱、扫描电镜研究了其结构特征和析晶性能。发现随着(Al₂O₃+P₂O₅)含量减少,玻璃中Na₂O含量增加,玻璃化转变温度从685 ℃降低到622 ℃,当减少至摩尔分数为22%时,出现析晶峰且起始析晶温度降低。拉曼光谱表明Q⁴_P对应的拉曼峰强度变低且逐渐向低波数方向移动,说明Na₂O作为网络修饰体使硅酸盐玻璃结构逐步解聚,玻璃的析晶能力逐渐增强。结果表明:当(Al₂O₃+P₂O₅)摩尔分数为22%时热处理后的样品存在晶型转变,700 ℃热处理时以NaAlSiO₄霞石晶体为主,900 ℃时转变为以Na_6.8Al_6.3Si_9.7O₃₂霞石晶体为主。当(Al₂O₃+P₂O₅)的摩尔分数为21%和20%时,热处理后的样品能稳定析出Na₃PO₄和Na_6.8Al_6.3Si_9.7O₃₂晶体。热处理后的样品析出了耐酸侵蚀性较差的富磷相和Na₃PO₄晶体,导致化学稳定性变差。