换热器内纳米流体换热与压降特性的分析

以人字形板式换热器翅片的单元流道二维截面为几何模型,采用Fluent软件对换热介质分别为水、水基Al_2O_3纳米流体和水基CuO纳米流体进行换热、压降特性的数值分析,结果表明:在水中添加纳米颗粒可以提高流体的换热能力,且随着纳米颗粒体积分数的增加,努塞尔数随之增大,同时,纳米颗粒体积分数为3.0%时,流体对应的努塞尔数增幅明显高于1.0%～2.0%的水基Al_2O_3纳米流体。但结果还表明,纳米颗粒体积分数为3.0%的水基Al_2O_3纳米流体对应的压降最高,不利于流体流动,因而在将纳米流体作为流动换热介质时,应该综合考虑换热与压降的影响。另外,在相同纳米颗粒体积分数以及入口雷诺数时,水基Al_2O_3纳米流体换热能力高于水基CuO纳米流体,但两者的流动压降几乎相同,因而应优先选用Al_2O_3纳米颗粒。由于目前将纳米流体与换热器相结合的相关研究较少,因而得出数值结论对纳米流体在换热器中的应用设计具有一定的参考意义。     

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。     

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。     

纳米流体微通道冷却菲涅尔聚光电池的热性能研究

文章基于菲涅尔高倍聚光砷化镓电池冷却技术的研究,对不同聚光条件、不同冷却工质螺旋式微通道散热器的传热性能进行了数值模拟,分析了电池芯片温度、努塞尔数、传热系数、强化传热因子的变化规律。研究结果表明:当太阳直射辐照度为1 000 W/m~2时,优化的三级聚光系统经过均光后,可强化螺旋式微通道对电池芯片的冷却效果,且该菲涅尔三级聚光系统的压降逐渐减小;与蒸馏水相比,Al_2O_3纳米流体的换热特性较强,且该纳米流体的换热特性随着纳米颗粒粒径的减小而增强;随着Al_2O_3纳米流体质量分数和粘度的增大,该纳米流体的努塞尔数、传热系数呈现先增大后减小的趋势,优化的菲涅尔三级聚光系统的压降则逐渐增大;当Al_2O_3纳米流体的质量分数为6%~8%时,该纳米流体的换热特性可作为该工况下利用Al_2O_3纳米流体冷却砷化镓电池的参考值,此时Al_2O_3纳米流体的强化传热因子相对较高。     

Al2O3-H2O纳米流体池内沸腾强化传热实验的曲面响应优化

为了提高余热回收效率,强化沸腾换热。在池内沸腾强化换热实验中运用Al_2O_3-H_2O纳米流体,研究了Al_2O_3纳米流体浓度、工件壁厚、热流密度对强化率的影响及最优强化条件。单因素分析结果显示,随着Al_2O_3纳米流体浓度、热流密度增大,强化率先增大后减小;随着工件壁厚增大,强化率逐渐减小。在单因素分析结果上,采用响应曲面法中Box-Behnken Design(BBD)模型对池内沸腾传热条件优化,得出三个因素对强化率的影响大小为:Al_2O_3纳米流体浓度工件壁厚热流密度。并且Al_2O_3纳米流体浓度与热流密度交互作用对强化率最为显著。通过曲面响应拟合最佳实验条件为:质量浓度1.2 wt%、热流密度83 543 W/m~2、壁厚0.45 mm,模拟结果强化率为107%,实验测得最优条件下强化率为106%,与预测接近。     

纳米流体在内置扭带外螺纹管内的流动和换热特性

为了研究纳米流体在内置扭带外螺纹管内的流动与传热特性,在Re(雷诺数)为2 000~12 000的范围内,分别对质量分数为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的Cu、Al、A1_2O3、Fe_2O_3、多壁碳纳米管和石墨纳米流体在内置扭带外螺纹管内的流动与对流换热特性进行了实验研究。实验结果表明:在相同Re下不同纳米流体都存在最佳浓度比0.5%,其中Cu-水纳米流体的换热性能最好但是摩擦阻力较大,石墨的换热性能和摩擦阻力方面的综合性能最好。内置扭带外螺纹管较光管在换热性能方面提高了50.32%,但摩擦阻力系数也相应增加。根据实验数据对热性能系数进行了综合分析,得到了石墨纳米流体内置扭带外螺纹管对流换热以及摩擦阻力系数关联式,其计算值和实验值有较好的吻合度。     

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。     

纳米流体受限式浸没射流冲击凸台表面的换热研究

为了分析纳米流体受限式浸没射流冲击到凸台表面的换热效果,以及与水射流冲击光滑平板的换热情况对比,详细分析了纳米流体颗粒表面形状、纳米流体体积份额、纳米颗粒材料、射流Re数、喷嘴距换热表面的相对高度H/D对滞止点及整个热表面换热系数的影响。实验发现,表面形状对换热效果影响较大,射流冲击到凸台表面上滞止点换热系数h_0最小,但整个换热表面的局部换热系数h_x及平均换热系数h_(av)均为最大值,且换热系数随Re的增大而增大。纳米流体体积份额对换热效果的影响与喷射的相对高度H/D有关,当H/D为3时,h0及hav随纳米颗粒浓度的增大而增大;当H/D为5时,纳米流体体积份额φ为0.2%时的换热效果最好。     

多孔泡沫内纳米流体非平衡传热及体积分数分布

研究了纳米流体在金属泡沫内的对流换热,建立了局部非热平衡数学模型,得到了金属泡沫内纳米流体速度、温度和纳米颗粒体积分数分布,分析了纳米流体和金属泡沫的强化换热效果。当使用纳米流体或在通道内填充金属泡沫时,截面速度和温度变得更均匀。随着纳米颗粒体积分数的增大,努塞尔数先增大然后又逐渐减小,即存在一个合适的体积分数能使换热效果达到最好;当金属泡沫孔隙率增加时努塞尔数也会减小,有利于换热的进行。纳米流体和金属泡沫对换热具有明显强化作用,但压降随纳米颗粒体积分数增大而急剧增大。此外,还考虑了布朗扩散和热泳扩散等因素的影响。     

纳米流体对U型深埋管换热特性影响的研究

结合西安市某个埋深为2505 m的U型深埋管换热系统,在原位实验验证的基础上建立三维全尺寸数值计算模型,进而模拟分析埋管内热流载体种类对强化埋管换热的效果。埋管内热流载体除常规使用的水外,还选用Al₂O₃/水、CuO/水和SiO₂/水3种纳米流体。通过改变这3种纳米流体的纳米颗粒体积浓度分别为0.1%、0.3%、0.5%及1.0%,分析纳米流体种类及纳米颗粒体积浓度对埋管换热的影响。研究结果表明,就整个埋管的换热而言,纳米流体的强化换热效果较小。因此,通过改变埋管热流载体来达到埋管强化换热的方法并不高效合理。     

纳米流体在车用机油冷却器中的强化换热试验研究

为了探求新型冷却介质--纳米流体的换热效果,制备了不同粒子体积分数的氧化铝有机纳米流体,并在车用机油冷却器中进行了换热性能的试验研究.研究结果表明:添加纳米粒子能够有效提高纳米流体基础液体的换热能力,且换热能力随着粒子体积分数的增加 而增高.在不同温度和温差条件下,粒子体积分数为5%的纳米流体的传热量和换热系数均超过常规冷却介质(水和防冻液).纳米流体的黏度和流动阻力亦随着粒子体积分数增加而增加.当冷、热介质的进口温差不变时,提高冷却介质的进口温度能在明显增强换热能力的同时大幅度降低流动阻力,并且纳米流体换热能力的增幅要高于防冻液和基础液体.     

余隙率对内置扭带换热管传热性能影响的数值研究

为了研究管内插入扭带对换热的影响,建立了余隙率分别为0.1,0.15,0.2,0.25,0.3的内置扭带换热管流体流动的三维物理模型,采用RNGk-ε湍流模型对这几种余隙率的扭带换热管的流动和传热特性进行了数值模拟,分析了插入不同余隙率扭带换热管的换热效果和流动阻力。结果表明,Nu数和摩擦阻力系数均随着余隙率的增大而减小,在低Re数的时候内置扭带有明显的经济性,特别是余隙率为0.1的扭带换热管综合性能最高,强化传热效果最为明显。     

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%。     

纳米流体黏度影响因素的试验研究

以SiO2纳米颗粒分别分散在去离子水(DW)、乙二醇(EG)以及两者的混合液中得到的纳米流体为研究对象,研究了颗粒大小、温度、基液成分和体积分数等因素对纳米流体黏度的影响.结果表明:在相同基液的条件下,随着颗粒粒径减小,流体黏度增加;基液中EG体积分数越大,黏度受温度影响越明显;黏度随体积分数变化的规律与修正的K-D模型吻合较好,但当体积分数超过1%时,由于纳米颗粒团聚程度不同,使得以混合液(EG体积分数为50%)为基液的纳米流体的黏度远大于预测值.     

翅片参数对滴形管矩形翅片流动与换热能力的影响

利用Fluent软件,在翅片周长给定的情况下,对翅片长度不同的滴形管矩形翅片流动与换热进行数值研究,分析L和雷诺数(Re)对管外空气侧换热和流动的影响。结果表明:在计算的Re数范围内,随着Re数的增加,换热系数(Nu)逐渐增加,阻力系数(f)逐渐减小;就翅片管效率而言,L越大效率越高。     

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。     

磁性纳米流体Fe3O4-H2O对流换热特性研究

建立磁性纳米流体Fe3O4-H2O对流换热特性实验系统,研究有无外磁场、磁场强度、磁场方向,纳米粒子质量分数、轴向比等因素对磁性纳米流体对流换热系数的影响。实验结果表明:对流换热系数随磁场强度的增加而增大;当磁场方向与流体运动方向一致时,外磁场强化了对流换热过程;外磁场对低流速流体的对流换热过程影响比对高流速更为显著;外磁场作用于流体入口段时对流换热系数得到明显提高;质量分数范围α=0.6%~0.8%的Fe3O4-H2O纳米流体可有效强化其对流换热性能。     

热流对考虑自然对流吸热管内熔盐对流传热影响

以熔盐为传热工质,对考虑自然对流条件下吸热管内熔盐的流动与传热进行了数值研究。结果表明:均匀热流下自然对流促进管内下侧和熔盐向管中心流动,弱化管内上侧熔盐向管中心流动;吸热管内下侧Nu数大于上侧Nu数,管内最大Nu数出现在底部,最小Nu数出现在顶部,吸热管内下侧Nu数与上侧Nu数的差值随着Re数增大而减小,但其平均Nu数变化较小,且其平均Nu数与不考虑自然对流影响的管内平均Nu数基本相等。非均匀热流下吸热管加热的上下位置对吸热管内单侧Nu数影响较大,但对平均Nu数无影响。同一Re数,吸热管上侧Nu数随着热流增高而最小。     

脉动流场对波壁管内流体的传热及阻力的影响

为了解决换热器、发动机等设备热质传递效率低的问题,采用数值模拟和实验相结合的方法,入口速度设为具有正弦脉动特点的非定常边界、流体温度设为348 K;出口速度设为自由出口、壁面温度设为298 K、忽略管壁传热热阻;对Re=600时波壁管内流体的传热和阻力特性进行研究,分析了不同时刻管内流体的速度场和温度场,以及努塞尔数Nu和摩擦系数的变化规律,将定常和脉动流场下流体的传热及流动特性进行了对比。结果表明:脉动流场下波壁管内流体的换热效果较定常流场差异明显,在振动分率P=1.5,斯德鲁哈尔数St=2.8时,脉动流场较定常流场的Nu增幅达34%,而在P=0.5,Re=400时,脉动流场较定常流场的Nu增幅达55%;脉动流动下,摩擦系数呈现正弦规律;在瞬时雷诺数Re时,脉动流场下的平均摩擦系数与定常流场相比差别不大,但瞬时摩擦系数差异显著。     

三角形阻流件几何参数对传热系数影响的数值研究

对设置三角形阻流件的水平矩形通道内的换热问题进行了二维数值模拟,在Re=1500～35000范围内,研究了阻流件顶角大小和高度对恒热流加热壁面的水平通道内的对流传热系数的影响状况.结果表明:当Re≤8000时,阻流件顶角的变化对Nu数影响不明显;当Re＞8000后,随着顶角α的增加,Nu数先上升后下降;当顶角在30°时,换热效果最好.阻流件高度对Nu数的影响很大,在相同的顶角下,高度越高,Nu数越大.