磁场作用下Fe3O4纳米流体在圆管内的流动及传热研究

使用有限元分析方法对磁场作用下Fe₃O₄-水纳米流体在圆形通道内流动及传热过程进行了三维数值模拟,研究了平行磁场作用下入口温度和流速对通道内Fe₃O₄-水纳米流体流动及传热性能的影响。结果表明：随着入口温度的不断提高,传热系数也在不断提高,当入口温度由293 K上升至313 K,传热系数提升达到11.6%,但也同时造成了流动阻力的增加。在研究范围内,雷诺数的增大在入口温度低于303 K时对传热起到了先抑制后增强的效果,而当入口温度达到303 K以上后,雷诺数增大仅会抑制传热。     

圆形通道内Fe3O4纳米流体流动及传热影响因素分析

采用Fe₃O₄-水纳米流体为传热工质,利用有限元分析方法对其在圆形通道内流动及换热过程进行了数值模拟研究,在Re=1 000条件下,分析了纳米粒子的体积分数和粒径大小对纳米流体层流传热性能的影响。结果表明,纳米颗粒的加入能有效改善通道的传热效率。随着纳米粒子体积分数的增大和粒径的减小,通道的传热效率显著提升,在研究范围内,传热系数最大可增加10.9%。但同时也略微增大了压力损失,综合传热和阻力两方面计算了传热综合因子,在纳米粒子粒径为20 nm,体积分数为2.5%时取得了最大值。     

螺旋内槽管内的层流流动与传热的数值模拟

应用数值方法对一种螺旋内槽管管内的流体层流流动和传热进行了数值分析。采用数学变量置换把控制方程由原坐标系中的三维动量、能量及连续性方程转化为二维螺旋坐标系下的数值计算模型，并利用现有的二维数值模拟软件进行模拟计算。计算考察了恒壁温、轴向恒热流螺旋内层流充分发展流体的流动与传热随雷诺数的变化，并研究了螺距的影响。     

纳米颗粒强化相变流体传热性能的研究进展

相变流体是一种具有高载热密度的传热工质,但传热性能有待进一步提高.在相变流体中引入能显著提高流体传热性能的纳米颗粒是近年来兴起的研究课题.综述了纳米颗粒在微胶囊相变流体中强化传热性能的研究进展.结合笔者所在实验室的研究成果,介绍了纳米颗粒在相变乳状液方面的传热强化效果,最后提出了下一步工作的重点.     

纳米流体强化传热技术及其应用新进展

综述了近年来纳米流体的制备、热传导、对流、沸腾换热等方面的最新研究进展,介绍了纳米流体在微管道散热器中的应用,并对纳米流体技术及应用的发展方向提出了展望.     

内螺纹管内金属氧化物-水纳米流体传热特性的数值模拟

利用计算流体力动力学方法对恒定热流密度内螺纹铜管中的Fe2O3-水和Al2O3-水纳米流体的换热特性进行数值模拟,分析了纳米流体的质量分数、Re数和管道的不同水平位置对对流换热系数的影响,并将模拟结果与实验结果进行了对比,得到的模拟结果与实验结果趋于一致。模拟结果表明:在Re数为1000~2000的范围内,内螺纹铜管的径向与轴向方向上,Fe2O3-水纳米流体的传热效果好于同等质量分数的Al2O3-水纳米流体,轴向方向上,当Al2O3-水纳米流体的质量分数为0.4%时,对流换热系数最大提高38.8%。Fe2O3-水纳米流体的质量分数提高0.3%时,对流换热系数最大提高26.5%,而Re数变化对对流换热系数的影响要更强一些,最大提高78%。Fe2O3-水和Al2O3-水纳米流体的对流换热系数增长趋势的最佳质量分数在4%左右。     

纳米流体强化传热进展综述

伴随电子设备的高速发展,制约其微型化、集成化的热交换设备高传热负荷成为需要解决的首要问题。作为高效、高传热性能的新型能量输运工质,纳米流体可以有效提高工质的导热性能,并改善散热系统的换热性能。因此,对于纳米流体强化传热技术的研究,不仅可以深入探究纳米流体在实际应用中的发展潜力,也有助于热交换设备传热性能的提高,具有广阔的市场应用前景和巨大的潜在经济价值。尽管现今已有大量针对纳米流体强化机理的科学研究,但研究结果的一致性较低,仍存在较大争议。因此,本文将从纳米流体在单相对流传热、池沸腾传热、流动沸腾传热三个方面进行全面的调研分析,针对纳米流体强化的传热机理进行总结和讨论。     

纳米流体对流传热的研究进展

将纳米颗粒加入到传统换热介质中形成的纳米流体是一种新型的强化传热介质。它不仅具有较高的单相对流传热系数,而且分散稳定,不容易磨损和堵塞管道。文中综述了纳米流体在对流条件下强化传热的实验研究进展及强化传热模型,并对实验结果和强化传热的机理及模型进行了简要分析。发现:纳米流体强化对流传热的效果与颗粒和基液的属性等有关;强化传热主要是由于导热系数的增加和纳米颗粒的运动及重新分布引起的物性变化等影响。同时提出了纳米流体对流传热研究中存在及有待改进的一些问题。     

射流冲击纳米流体对半圆形螺旋通道传热特性的影响

为提高管式反应器外半圆形螺旋通道的换热效果,在传统螺旋通道壁面上设置了射流入口,采用三种纳米流体(Cu O-H₂O、Al₂O₃-H₂O和Ti O₂-H₂O)作为传热流体,基于Mixture混合模型探究了不同纳米流体在不同Re=10000～36000、不同射速比下对半圆形螺旋通道换热和流动特性的影响规律,并利用传热强化因子PEC_j0和PEC_j分别评价了半圆形螺旋通道增加射流前后的综合强化传热性能。研究结果表明：在射速比ε=0～5时,Al₂O₃-H₂O纳米流体的压降最大,Cu O-H₂O纳米流体的压降最小。在ε=0时Al₂O₃-H₂O纳米流体的传热效果最好,其平均Nu数是H₂O的1.31倍。与ε=0相比,在ε=1～5工况下,螺旋通道平均Nu     

SK型静态混合器内流体流动与传热数值模拟

利用Pro/e 5.0对SK型静态混合器进行参数化建模,运用ANSYS-CFX软件对混合器内流体的流场进行了模拟;分析了SK型静态混合器内流体的流动特性及混合机理,发现在单个混合元件的L/2长处流体的径向平均速度到达最大值,流体径向旋转方向与所在通道的混合元件螺旋方向相反;另外对静态混合器和空管混合器的传热性能进行了对比模拟,进一步证实了静态混合器具有更好的强化传热效果,为静态混合器的设计与研究工作提供了参考。     

炭黑纳米流体对火管式废热锅炉传热的影响

沥青气化生产合成气过程中有大量炭黑颗粒生成,炭黑颗粒对流体的流动和传热有较大影响。文章将含有炭黑纳米粒子的合成气定义为炭黑纳米流体,建立了炭黑纳米流体的单相流体模型,并用数值模拟的方法,分析了合成气中炭黑颗粒在传热中的作用。结果表明:炭黑粒子的直径、粒子流量对传热有很大影响。适当增加炭黑粒子的流量,可以增进传热,降低流动阻力。而炭黑粒子对火管废锅的产汽量影响很小。     

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。     

扭曲扁管管内流动与传热的三维数值研究

利用计算流体力学和数值传热学的方法,对扭曲扁管三维模型的流动与传热性能进行了数值模拟计算和理论分析,研究了管内流体的Re,Pr以及管子几何尺寸对其流动与传热性能的影响,结果表明,扭曲扁管具有较好的强化传热效果,在管内流体具有高Pr低Re数的条件下,其强化传热效果尤为明显。根据数值计算的结果数据,拟合出了努塞德数和阻力系数的准则公式,对扭曲扁管工程实际应用具有一定的参考价值。     

螺旋内翅片管内充分发展流体流动与传热的数值分析

采用常规模型对一种新型螺旋翅形裂解炉管内充分发展的流体流动与传热进行了数值分析。采用变量置换法把控制方程由原来的三维问题转化为计算平面内的二维问题,并采用ＳＩＭＰＬＥＣ方法计算考察了周向恒壁温、轴向恒热流的螺旋内翅片管内充分发展条件下的流体流动与传热问题,得到了与实验值相近的结果。进一步用所述的方法对相同横截面的直翅和螺旋翅片管内的流场和温度场进行了数值模拟研究,它揭示了螺旋翅片管相对于直翅管而言阻力增加而传热效率下降的机制。     

螺旋槽管内流体传热性能数值研究

研究了螺旋槽管内径Di、螺距P、槽深e等各因素对管内流体传热性能的影响,用数值模拟法进行传热系数数值计算,并与相同材质、相同直径和壁厚的光管同步对比。对计算结果进行线性回归处理,确立Nu与Re的关联式。结果表明,螺旋槽管具有较好的传热强化作用,在同等Re工况下,其传热系数较光管提高10%～60%。     

纳米流体圆管内的湍流流动特性

采用Eulerian-Eulerian模型和Eulerian-Lagrange模型研究了TiO2-水纳米流体在水平管内的湍流流动特性,并与实验结果进行对比分析,探讨了不同模型中各种相间作用力的影响。从微流动角度探索纳米流体的流动本质,从而进一步揭示其传热强化机理。结果表明:在壁面附近,纳米颗粒与水存在着明显的速度差异,相间的动量交换十分明显,从而强化了局部微流动,导致边界层变薄。纳米颗粒在整个流场内部是不均匀分布的,使得边界层内部换热能力得到大幅度增强。纳米流体流动特性的改变是影响其强化换热的主要因素。     

波纹管内插扭带强化传热三维数值模拟

利用流体力学软件FLUENT对波纹管与扭带结合时的流场和温度场进行了数值模拟,考察了结构参数及操作参数对流动及传热的影响并根据模拟结果得到了拟合公式。将其与光管及普通波纹管传热性能进行了对比,结果表明:在入口雷诺数5 600—57 000的范围内,相比光管Nu数提高了80%—239%,摩擦因子提高了661%—890%,波纹管5.3%—44%,70%—168%,综合评价因子PEC-1为0.897—1.726,且随雷诺数增加呈递减趋势。插入扭带扭率为4时综合强化效果最佳,最佳强化效果出现在雷诺数6000左右。     

管内层流强化传热的数值模拟

通过数值模拟,研究了85%甘油在含旋流片缩放管管内的传热与流阻特性,并与光滑管、缩放管的传热与流阻特性进行了对比。研究结果表明,层流时含旋流片缩放管的综合因子大于缩放管,且缩放管内插入6个小角度旋流片具有更好的传热性能。在有旋流片段可以通过减薄边界层厚度与增加有效传热温差的双重途径提高传热速率,而在旋流片下游段则可以利用有效传热温差的缓变特性继续维持较大的传热速率,从而能避免过多的流体置换次数,极大幅度的降低流体的输送功耗。     

纳米流体强化气体水合物生成研究进展

水合物的高效快速生成对水合物技术的工业化应用具有重要的意义。对当前纳米流体促进水合物生成过程进行了分析和总结。结果表明,纳米流体能够极大地强化水合物反应体系的传热过程。纳米粒子的浓度、纳米颗粒本身的物性、纳米颗粒的尺寸大小、纳米流体中固体颗粒的分散稳定性、纳米流体在管道中的流动速度及湍动程度是影响体系传热的主要因素。此外,纳米颗粒能够极大地强化水合物反应体系的传质过程,运输作用、防气泡聚合机理、边界层混合机理、渗透机理被用来解释这一现象。但其具体的促进机理仍不清楚,基础理论的建立是未来研究方向。     

圆管内插圆锥扭带强化传热数值模拟

提出了一种新型核心扰流元件——圆锥扭带,目的在于减小传统扭带内插件对流体所产生的过高阻力。运用Fluent进行数值模拟,分析了扭曲比为y=3.0,锥度θ分别为1∶3.6,1∶5,1∶7,1∶9的圆锥扭带在湍流状态下的流动阻力与换热性能,并与传统光滑直扭带进行了比较。模拟结果表明:圆锥扭带的努赛尔数Nu和阻力系数f比传统光滑直扭带分别减小了10%—15%和30%—50%,综合传热性能η提高10%—35%。结果表明:在较高雷诺数Re的湍流范围内,圆锥扭带在换热强化性能减小不大的情况下能够有效减小流体阻力,从而提高换热管的综合换热性能。