Al2O3纳米流体液滴蒸发特性的数值模拟研究

纳米流体液滴蒸发现象在电子设备冷却、喷墨打印以及医学检测等领域都有广泛应用。为了研究水基Al₂O₃纳米流体液滴的蒸发特性,建立了纳米流体液滴蒸发的二维瞬态模型,考虑了纳米颗粒输运行为以及液滴内部流动的影响,并采用任意拉格朗日-欧拉法（ALE）捕捉气液运动界面。基于所建立的模型,分析了水基Al₂O₃纳米流体液滴内部Marangoni流、纳米颗粒初始浓度以及基板温度对纳米流体液滴蒸发特性的影响规律。结果表明,液滴内部Marangoni流会影响气液界面温度分布和蒸发速率。由于液滴内部纳米颗粒浓度分布和气液界面温度发生变化,纳米流体液滴的蒸发速率随着纳米颗粒初始浓度和基板温度升高而增加。     

乙醇溶液液滴降压蒸发过程传热传质特性

针对单个乙醇溶液液滴在降压环境下蒸发的传热传质过程建立了数学模型。模型基于液相的能量守恒和 传质扩散理论,利用经典拓展模型计算液滴的质量蒸发率,并引入活度系数考虑液滴表面的蒸气分压。采用液 滴悬挂法进行实验,分别记录了乙醇溶液液滴和乙酸溶液液滴在降压蒸发过程中的液滴内温度变化。将实验数 据与计算结果对比,验证了模型的有效性。通过模型计算获得了液滴内部温度分布以及浓度分布随时间的变化。 结果表明:快速降压阶段空气流动较快,加之乙醇工质易挥发,液滴表面温度下降迅速,液滴内部温差和乙醇 浓度梯度较大;压力稳定后,空气流速为零,液滴内部温差和乙醇浓度梯度逐渐减小。由于液滴内部的热扩散 速率大于传质扩散系数,内部温度随时间的变化比浓度随时间的变化更快。     

含有纳米颗粒的悬浮纳米液滴蒸发特性的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究单个含有固体金属纳米颗粒的悬浮纳米液滴的蒸发特性。模拟结果表明,含有金属纳米颗粒的悬浮球形纳米液滴,在蒸发过程中基本保持球形不变;模拟温度越高,金属纳米颗粒的质量分数越大,纳米流体液滴的球形度越小。当蒸发过程开始时,纳米流体液滴的蒸发速率很大,而且模拟温度越高,蒸发速率越大,随后,蒸发速率急剧下降;随着蒸发过程的进一步进行,蒸发速率缓慢下降。金属纳米颗粒的种类和质量分数,对悬浮纳米流体液滴的蒸发速率影响不大。     

纳米流体液滴在水平加热面上的变形行为特性

采用格子Boltzmann力矩模型模拟了纳米流体液滴在水平加热面上的变形过程,结果表明纳米流体液滴的变形经历了销联、解销阶段,并且由于纳米颗粒的强销联作用,在蒸发的后期可以明显看出环形沉积,这是在考虑布朗运动、粒子间相互作用等作用力后由于纳米颗粒的强销栓作用而表现出的纳米流体的独有性质。模拟结果与文献中的实验结果作了对比,表现出良好的一致性,表明格子Boltzmann方法可以成功模拟纳米流体液滴在水平加热表面蒸发过程中的变形特点。     

基底厚度对蒸发液滴表面温度分布的影响

蒸发液滴的表面温度分布对液滴的液体流动和颗粒沉积有着重要的影响。获得液滴表面温度目前主要采用数值计算方法。针对有限厚度基底上的蒸发液滴,分析了网格划分对液滴表面温度计算结果的影响。结果表明,相比于液滴边缘附近区域,液滴中心区域网格的细化对计算结果影响不大;而在接触线附近,相比于网格尺寸,网格细化区域大小对计算结果的影响也很小。利用数值方法研究了基底厚度对蒸发液滴表面温度分布特性的影响,发现随着基底厚度的改变液滴表面出现3种温度分布模式:(1)从液滴顶点到边缘处表面温度逐渐升高;(2)液滴表面温度非单调变化;(3)从液滴顶点到边缘处表面温度逐渐降低。考虑热传导路径长度和蒸发制冷的共同作用,对不同表面温度分布模式进行了解释,并获得了(h_R,q)坐标平面上的表面温度分布模式相图。本文结果将有助于对液滴蒸发过程的理解,并为蒸发诱导自组装、喷墨印刷等技术提供理论依据。     

悬浮Ar-CH4纳米液滴蒸发过程的分子动力学模拟

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了Ar-CH4二元混合物体系的悬浮纳米液滴的蒸发行为。模拟结果表明,当蒸发过程开始时,混合物纳米液滴的球形度迅速减小;之后,维持在一定的球形度数值上波动。在整个蒸发过程中,纳米液滴基本为球形;模拟温度越高、液滴初始直径越小,球形度越小;甲烷的摩尔分数对球形度的影响不大。在蒸发过程的初期,混合物纳米液滴的蒸发速率较大,且随模拟温度的升高而增大,随液滴初始直径和甲烷摩尔分数的增大而减小。随着蒸发时间的延长,蒸发速率先急剧减小;然后,再缓慢减小。气体空间内惰性组分的加入,并不影响混合物纳米液滴的蒸发速率。     

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。     

凸面恒温基底上固着液滴蒸发特性研究

针对凸面恒温基底上的固着液滴蒸发过程开展了实验和理论研究。实验研究方面,搭建了凸面恒温基底上蒸馏水液滴蒸发的可视化实验系统,捕获了液滴蒸发过程形态变化,使用红外热像仪获得了液滴表面温度分布。理论研究方面,基于环形坐标系建立了凸面恒温基底上固着液滴蒸发的传热传质模型,推导出液滴内部温度分布及其周围蒸气浓度分布的解析解。将模型结果与实验数据进行对比,验证了计算模型的可靠性。研究结果表明：模型计算需考虑蒸发冷却效应,提高基底温度和减小基底曲率直径均可提高液滴蒸发速率;相较于平面基底,凸面基底上液滴的铺展半径更大,钉扎时间延长,总蒸发时间减小,液滴蒸发主要遵循恒定接触半径蒸发模式。此外,液滴/空气界面处的过余温度沿液滴表面从中心到接触线方向单调递增,随着蒸发过程的进行,液滴整体温度分布趋于均匀。研究结果有助于深入掌握凸面基底上固着液滴蒸发的传热传质机理。     

影响纳米流体液滴蒸发沉积图案的关键因素分析

目前关于液滴蒸发后沉积图案的研究主要集中于描述其物理现象的变化,但是对于蒸发过程中导致沉积图案形成的受力分析少有研究。影响纳米流体液滴蒸发沉积图案的主要因素是与液滴接触的底板温度和纳米颗粒的质量浓度。本文选用4种不同温度（30℃、47℃、64℃和81℃）的玻璃载玻片作为底板,采用粒径为20nm的3种质量分数（0.05%、0.1%和0.2%）的Al₂O₃-H₂O纳米溶液来研究纳米流体液滴在固体表面上蒸发后沉积图案的形成机理。实验结果表明,随着溶液质量分数的增加和底板温度的升高,咖啡圈效应越来越明显,且内环结构也逐渐清晰可见。其中咖啡圈效应由底板温度和溶液质量分数共同影响。溶液质量分数和底板温度都与马兰戈尼（Marangoni）效应呈正相关性,但由停滞点和Marangoni效应产生的内环结构,受底板温度的影响更大。     

纳米流体液滴凝固过程中的特征变形

为了研究胶体颗粒在液滴凝固中的作用,实验制备了不同浓度、颗粒性质的纳米流体溶液,基于低温台装置,文中实验观察到的纳米流体液滴的凝固形状不再带有尖端,而是在顶部形成了一个平台结构,并且该平台的面积随着纳米颗粒浓度的增加而变大.文中提出了一个简单的物理模型,并通过Hele-Shaw装置对凝固过程观察分析,将平台的形成归因于...     

超疏水表面太阳能加热金-水纳米流体液滴蒸发特性

实验研究了超疏水表面上太阳能加热金纳米流体液滴蒸发特性。用高速摄像机和红外摄像机同步触发记录了2 μl不同浓度金纳米流体液滴在超疏水表面的蒸发过程。通过一系列实验，观察对比不同浓度金纳米流体液滴蒸发过程中体积、接触角、接触直径、液滴表面温度以及蒸发速率等动态特性。结合水蒸气扩散模型以及红外温度图分析液滴在超疏水表面上的蒸发过程中蒸发通量变化以及表面温度变化等特性。发现不同浓度纳米流体液滴蒸发速率基本一致；超疏水表面上液滴蒸发以常接触角模式为主，后期呈现混合模式蒸发；液滴蒸发过程中，液滴上半部分蒸发通量大，致使液滴表面温度较低。     

Machine learning specific heat capacities of nanofluids containing CuO and Al2O3

Empirical work and modeling approaches have shown that fundamental thermophysical parameters of constituents, nanoparticles, and base liquids have complex but synergistic effects on the specific heat capacity of nanofluids. In this work, we develop the Gaussian process regression model to investigate the statistical relationship among temperature, specific heat capacities of nanoparticles and base liquids, nanoparticle volume concentrations, and specific heat capacities of nanofluids. The model is developed with a dataset containing nanofluids with CuO and Al₂O₃ nanoparticles, and water and ethylene glycol (EG) as base liquids. The model also applies well to nanofluids containing mixtures of water and EG, and Al₂O₃ nanoparticles with different particle size distributions. The model is highly accurate and stable that contributes to fast and low-cost estimations of specific heat capacities of nanofluids over a wide range of compositions and temperature.     

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。     

Research on heat transfer performance of amphiphilic nanofluid solar gravity heat pipe

Modified graphene/deionized water (DW) based amphiphilic nanofluid (A-nanofluid) without surfactant was prepared through chemical method. The thermal performance of solar gravity heat pipe (SGHP) with A-nanofluid was investigated under different heating powers, incline angles and concentrations. It was found that A-nanofluid can reduce the start-up temperature of the SGHP compared with DW. Within the measured range of heating power, the thermal resistance of the SGHP filled with A-nanofluid is obviously lower than that with DW when the heating power is relatively small. However, the difference of thermal resistance of the SGHP filled with A-nanofluid and DW is almost negligible with the increase of heating power. The incline angle has great influence on the heat transfer capacity of the evaporation section when the incline angle is relatively small. When the heating power is 20 W and the nanofluid concentration (mass ratio) increases from 0.1% to 0.6%, the heat transfer coefficient of the evaporation section decreases by 54.7%; when the heating power is 40 W, the nanofluid concentration (mass ratio) increases from 0.1% to 0.6%, the heat transfer coefficient of the evaporation section decreases by 48.9%.     

两亲性纳米流体太阳能重力热管传热性能研究

针对石墨烯/水纳米流体的分散不稳定问题,采用化学方法制备了不含表面活性剂的改性石墨烯/水两亲性纳米流体,研究了以改性石墨烯/水两亲性纳米流体为工质的太阳重力热管在不同加热功率、安装角度和浓度下的热性能。结果表明,与去离子水相比,两亲性纳米流体可以降低热管的启动温度。在实验加热功率范围内,当加热功率相对较小时,两亲性纳米流体热管的热阻明显低于去离子水;随着加热功率的增加,热阻差异可以忽略。当安装角度相对较小时,其对蒸发段传热能力影响较大。当加热功率为20 W,纳米流体质量分数从0.1%增加到0.6%时,蒸发段传热系数下降了54.7%;当加热功率为40 W,纳米流体质量分数从0.1%增加到0.6%时,蒸发段传热系数下降了48.9%。     

水平管外降膜蒸发流动和传热特性数值模拟

建立三维模型并模拟了制冷剂R410A在水平管外的降膜流动和蒸发过程,探究了喷淋密度、热通量和布液孔偏离管轴心距离对降膜流动和传热的影响。结果表明：沿管周方向,液膜厚度和传热系数逐渐减小并趋于稳定,至管底处由于局部液体堆积,液膜增厚、传热系数降低;喷淋密度较小时,总传热系数随着热通量增加而降低,随着喷淋密度增加而显著提高;液膜Reynolds数达2000后,总传热系数随喷淋密度增加而缓慢提升并趋于平稳,此时热通量的增加会提升总传热系数;随着布液偏心距的增加,总传热系数先略微上升并趋于平稳,而后由于出现局部“干涸”和液膜堆积区域,总传热系数急剧下降;随喷淋密度的增加,总传热系数急剧下降的临界点会逐渐往大偏心距偏移。     

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。