磁场调控磁性纳米流体流动和传热研究进展

磁性纳米流体在实现能量高效和可控传递领域极具发展潜力。本文综述了磁场作用下磁性纳米流体对流换热及沸腾换热的最新进展,主要包括强制对流换热、混合对流换热、自然对流换热、池沸腾换热及管内沸腾换热等方面的实验研究,分析了磁场类型、强度、梯度、频率、方向及磁铁位置等对磁性纳米流体流动和热传输特性的影响,指出可通过改变外加磁场来实现对磁性纳米流体流动和传热的控制,并探讨了磁性纳米流体流-磁耦合作用下的传热机理以及目前所面临的挑战。在此基础上,提出了未来磁场调控磁性纳米流体对流换热和沸腾换热的主要发展方向：制备稳定的磁性纳米流体,建立系统有效的流动和传热理论模型,并从微介观尺度诠释热-流-磁耦合协同换热机理。     

纳米SiO2在添加磁性大颗粒磁场流化床中的流态化

研究了纳米SiO2在添加磁性大颗粒磁场流化床中的流化性能,实验中通过测量其床层膨胀曲线、床层压降曲线以及塌落曲线表明:磁性大颗粒在交变磁场下的振动作用可以破碎流化床中纳米SiO2的大聚团.使床层压降和床层膨胀明显增大,流化质量获得显著提高.实验同时考察了磁场强度、磁性颗粒的添加量以及不同的静床高度等参数对流化性能的影响.获得了最佳工艺操作条件.     

永磁梯度磁场布置方式对空气自然对流换热的影响

梯度磁场可用于控制非导电弱磁性介质的自然对流换热过程。利用钕-铁-硼永磁系统的不同空间布置，构建了具有不同磁场强度分布的梯度磁场，通过数值模拟得到了不同永磁梯度磁场的磁场强度和磁加速度。对不同梯度磁场作用下的二维封闭腔内的空气自然对流换热过程进行了数值研究，获得了空气自然对流的流场和温度场，以及壁面局部Nusselt数和平均Nusselt数并进行了比较。结果表明：空气自然对流换热可以通过施加具有不同磁加速度的梯度磁场得到强化或控制。     

磁流变弹性体(MRE)的裂纹扩展

正在弹性体(如NR)中加入磁性粒子如羰基铁(CIP)制成的材料会对所施加外部磁场的磁通量密度的变化产生响应。磁场强度增大诱导的粒子间磁相互作用会提高复合材料的剪切模量。CIP在混炼过程中加入。胶料在施加外部磁场的条件下硫化,从而使粒子沿磁力线方向排列成链。在硫化诱导期内粒子进行排列,此时胶料仍处于熔     

磁性纳米Fe_3O_4在刁润磁丽场协助作用下的流态化研究

磁性纳米Fe3O4的密度及黏性较大,透气性差,在传统流化床中很难实现"正常"流态化。实验采用外加磁场能的方法来改善这种状况,外加磁场、铁磁性大颗粒并与流化性能较好的非磁性物料混合流化。实验发现在一定磁场强度、添加质量分数及表观气速下,纳米Fe3O4的流化性能得到改善,其在流化床中形成的大聚团得到有效的破碎,床层膨胀增加,压降趋于一个稳定值,最小流化速度降低,床层可以实现比较均匀的流化。     

多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流传热的积分解

应用边界层理论和局部热平衡传热模型,建立控制方程组,理论分析了多孔泡沫金属中等温竖壁面空气自然对流的传热特性。采用数量级分析法简化控制方程组,再进行积分求解。结果表明：多孔泡沫金属对自然对流具有强烈的扰动作用,使边界层发展很快,其厚度远大于光壁面时的边界层厚度,在等温竖壁面条件下本文所选的参数范围内(孔隙率0.9～0.95,孔密度5～40PPI),孔隙率越大、PPI越大,边界层也越厚;空气流速很快达到最大值,且此后的速度峰值几乎维持不变;自然对流传热的强化效果非常明显,相比光壁面,加入孔隙率0.9、孔密度5 PPI的多孔泡沫铝后其强化倍数达9以上,但孔隙率、孔密度增大时,流体边界层厚度增长过快,会使得传热恶化。     

磁性纳米Fe3O4在磁场协助作用下的流态化研究

磁性纳米Fe3O4的密度及黏性较大,透气性差,在传统流化床中很难实现“正常”流态化。实验采用外加磁场能的方法来改善这种状况,外加磁场、铁磁性大颗粒并与流化性能较好的非磁性物料混合流化。实验发现在一定磁场强度、添加质量分数及表观气速下,纳米Fe3O4的流诧性能得到改善,其在流化床中形成的大聚团得到有效的破碎,床层膨胀增加,压降趋子一个稳定值,最小流化速度降低,床层可以实现比较均匀的流化。     

含相变物质流体的自然对流强度评价

给出了积分平均法、超临界数法两种关于有相变物质流体的自然对流强度评价方法,并与常规算术平均温度法进行了对比分析.通过给定两种表观比热容随温度变化的关系式, 即正弦函数和高斯函数, 获得了Rayliegh数的修正系数, 以及随加热表面温度的变化规律.同时,还可以根据所介绍的分析方法预测获得最佳自然对流传热的工况,对实现蓄热或传热的最佳控制有指导意义.     

磁场对熔盐射流冲击传热的影响

以永磁铁构建定磁场,进行外加磁场作用下熔盐射流冲击传热的实验研究,并得到Nusselt数Nu驻点关联式和径向分布。结果表明,在驻点区范围内,Nusselt数较无磁场作用时增大,传热得到比较明显的增强,而在壁面射流区,这种强化传热效果逐渐减弱。此外,当Reynolds数Re一定时,熔盐Nusselt数随着磁场强度的增加而增大,且驻点处强化传热效果最为显著。在Reynolds数Re=6400与磁场强度B=2800 Gs条件下,熔盐驻点Nusselt数Nu₀提高约6％,可见磁场作用对熔盐射流冲击传热具有一定的强化效果。     

液固磁稳定床中的传热与传质特性研究

以电化学方法测定了SRNA-4催化剂为固相的液固磁稳定床中的液固传质系数,采用浸没的微型传热探头测量了液固传热系数。实验结果表明：随磁场强度、液体黏度的增大,液固传质系数及传热系数减小;增加表观液速,传质系数、传热系数均增大。进而建立了由物性参数及操作参数估算液固传质Sherwood数及液固传热Nusselt数的关联式,实验值与预测值吻合良好,可为磁稳定床反应器的放大设计和操作优化提供一定的依据。     

梯度磁场作用下自然对流换热强化

为验证梯度磁场作用下自然对流换热的变化规律,揭示热磁对流现象的机理,利用钕铁硼永磁体构建了楔形梯度磁场空间,并对位于该空间的封闭腔内的氧气自然对流换热进行了实验研究.实验获得了氧气自然对流的激光散斑干涉图像,通过数据处理得到了氧气自然对流的温度场,进而获得了壁面局部Nu分布.结果表明,磁加速度近似与重力加速度方向相同的永磁梯度磁场布置可使氧气自然对流换热过程得到强化.     

磁场作用下垂直管外氨水降膜吸收的模型研究

在氨气吸收过程中增加了宏观磁场力，考虑了吸收过程中降膜溶液膜厚的变化、膜厚方向的对流以及氨水溶液物性的变化，建立了磁场条件下垂直管外氨水降膜吸收数学模型。在磁感应强度0－3T范围内，对数学模型进行数值求解，得到温度、浓度、速度分布等参数。结果显示磁场对于氨水降膜吸收过程有一定的增强作用。     

耦合表面张力的封闭腔体内管外自然对流传热特性

采用格子-玻尔兹曼方法（LBM）构建了考虑表面张力影响下封闭腔体内加热圆柱外自然对流数学模型。在分别对自然对流与表面张力模型模拟验证的基础上,探究了液固表面张力与重力场下浮升力同时作用下加热圆柱外流体自然对流的传热特性。结果表明,在给定Ra数下（10³≤Ra≤10⁶）,随着表面张力的增大（Oh数减小）,封闭腔体内管外自然对流扰动会加剧,流型会变复杂,壁面换热效率有明显提高。在Ra数为10⁵,长度比（加热圆柱半径和方腔长度之比）为1/10情况下,加入表面张力σ=0.076302N/mm（Oh=0.122）,腔体左侧壁面平均努塞尔数和加热圆柱壁面与未加表面张力相比分别提高了93.5%和60.35%。当表面张力大小和自然对流的浮升力相当时,此时的流场波动更加明显剧烈,在一定范围内增大浮升力反而减弱换热。     

有内热源的多孔层中自然对流的稳定性分析

采用局部非热平衡模型, 通过数值法和Garlerkin近似法, 分析存在均匀内热源和边界浓度梯度时, 有效热导率比、流体和固相间的传热系数、浓度梯度的大小以及内热源在流体与固相内的分布情况对水平多孔层中临界内热源Rayleigh数的影响, 来研究相关参数对自然对流的稳定性的影响, 并得到临界内热源Rayleigh数的表达式。结果表明, 浓度Rayleigh数的增加可以促进自然对流的形成;内热源为正时, 自然对流的形成区域主要位于上半区域;内热源为负时, 自然对流的形成区域位于下半区域, 内热源总是促进自然对流的发生;有效热导率比、流体和固相间的内部传热系数、内热源在流体与固相内的分布情况相互耦合, 影响自然对流的稳定性, 这种影响取决于各参数的范围。     

Influence of magnetic field on jet impingement heat transfer with molten salt

Experimental study of jet impingement heat transfer with molten salt under the influence of external constant magnetic field was generated by permanent magnets. Both stagnation correlation and radial distribution of Nusselt number under magnetic field were obtained. The results showed that the Nusselt number with magnetic field became higher than that without magnetic field at stagnation region and jet impingement heat transfer was comparatively enhanced, while in wall jet region, the enhancement of heat transfer was gradually weakened. In addition, when the Reynolds number was constant, the Nusselt number of molten salt increased with increasing of the intensity of magnetic field, and the most enhanced heat transfer existed at the stagnation point. Under the conditions of Reynolds number Re=6400 and the intensity of magnetic field B=2800 Gs, the stagnation Nusselt number of molten salt was about 6 % higher than that without magnetic field. It can be seen that the magnetic field may promote the jet impingement heat transfer of molten salt.     

基于二维梯度树状肋相变储热系统强化传热机理

设计了双碟式光热-光电储热发电系统,针对相变储热系统传热特性进行研究,建立了六纵肋、雪花型肋、梯度树状肋相变储热模型,采用Fluent软件对石蜡蓄释热过程进行模拟。通过非稳态传热温度场和速度场的变化分析石蜡熔化和凝固的传热机理。结果表明,石蜡熔化过程伴随着热传导与自然对流的协同作用,凝固过程对流换热微弱以热传导为主。从场协同的角度分析,采用梯度树状肋使空间温度分布更均匀,可提高流体速度场和温度场的协同程度。石蜡熔化温度分别为315、340、360 K,完全熔化时间依次为224、374、703 s;完全凝固时间依次为3439、1089、842 s。可见,随着熔化温度的升高,完全熔化时间增长,完全凝固时间缩短。因此,在选择相变材料时要综合考虑熔化温度、蓄释热初温和终温及储热量的要求。     

基于二维梯度树状肋相变储热系统强化传热机理

设计了双碟式光热-光电储热发电系统,针对相变储热系统传热特性进行研究,建立了六纵肋、雪花型肋、梯度树状肋相变储热模型,采用Fluent软件对石蜡蓄释热过程进行模拟。通过非稳态传热温度场和速度场的变化分析石蜡熔化和凝固的传热机理。结果表明,石蜡熔化过程伴随着热传导与自然对流的协同作用,凝固过程对流换热微弱以热传导为主。从场协同的角度分析,采用梯度树状肋使空间温度分布更均匀,可提高流体速度场和温度场的协同程度。石蜡熔化温度分别为315、340、360 K,完全熔化时间依次为224、374、703 s;完全凝固时间依次为3439、1089、842 s。可见,随着熔化温度的升高,完全熔化时间增长,完全凝固时间缩短。因此,在选择相变材料时要综合考虑熔化温度、蓄释热初温和终温及储热量的要求。