纳米流体强化传热研究分析

文中综述了目前国内外对于纳米流体强化传热技术的研究情况,分析了纳米流体的强化传热机理及添加纳米粒子后对液体的物性参数--粘度、比热、密度、流体流动的影响;说明了石墨/水纳米流体及Fe3O4/水纳米流体导热系数和对流换热系数测量实验的原理及结果,并对结果进行了分析,实验结果表明纳米流体强化了传热.     

磁场作用下Fe3O4包覆碳纳米管磁流体光热转换性能

该文实验研究了磁场作用下水基磁性碳纳米管（MWCNT-Fe3O4）流体光热转换特性。采用改进化学共沉淀法合成MWCNT-Fe3O4复合纳米磁性材料，制备了浓度为0.001%～0.200%（质量分数）的磁流体。此外，研究了磁场强度及方向对磁性流体光热转换特性的影响。结果表明：在低浓度范围内光热转换效率随浓度增加而增加，并在0.01%时获得比纯水提高了30%的光热转换效率。高浓度时由于透光率降低使得光热转换效率有所下降。磁性MWCNT材料在外加磁场作用下将会呈现与磁场方向一致的定向排列现象。垂直磁场作用下，MWCNT排列方向与温度梯度方向一致，充分利用其轴向超高导热系数使流体中的温度分布更均匀，光热转换效率提高。水平磁场作用下，MWCNT排列方向与温度梯度方向垂直，抑制了流体中的热量传递，光热转换效率下降。     

SiO2纳米流体强化换热的实验和仿真研究

为研究纳米流体稳定性并增强换热机理,在乙二醇/去离子水基液中,采用原液化学生长法制备了不同质量浓度（1%,2%,3%,4%和5%）的氧化硅-乙二醇/水纳米流体,通过Zeta电位测量和透射扫描电镜实验表征纳米流体的稳定性。实验测量并研究了温度和质量浓度对纳米流体的导热系数和粘度的影响。依据实测结果,利用格子玻尔兹曼方法对圆管内纳米流体的流动与换热特性进行数值模拟研究。结果表明：二氧化硅颗粒在基液中具有良好的稳定性;纳米流体的导热系数随温度和质量浓度的提高而增大;纳米流体的加入可以显著提高基液的对流换热系数,当质量浓度为5%时对流换热系数的提高幅度可达到25.5%。     

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。     

建立余热回收中纳米工质的导热系数预测模型

采用两步法制备质量分数为1%的Cu/Al2O3-H2O/EG混合纳米流体。首先,研究其导热系数随温度和基液混合比的变化情况。然后,根据多项式回归理论建立Cu/Al2O3-H2O/EG混合纳米流体的导热系数预测模型。实验结果表明,纳米流体的稳定性随乙二醇含量的增大而增强,由于不同种类粒子间的分子吸附力不同,导致相同种类粒子容易结合形成团聚体,而Cu粒子与Al2O3粒子的团聚体则较少。导热系数随着温度的升高非线性升高,随基液中水含量的增大而下降。根据实验数据,拟合了导热系数与温度及基液混合比的多项式预测模型,回归系数R2达0. 998,精度较高可以很好地预测Cu/Al2O3-H2O/EG混合纳米流体的导热系数。该模型可以指导工程应用。     

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。     

纳米流体在泡沫金属管内强化换热的数值模拟

本研究通过在流体流过的管内核心区插入不同半径的泡沫金属、在基液中添加纳米粒子的方法达到强化换热的目的。通过泡沫金属管与光管内温度场及速度场的比较来分析泡沫金属对强化换热的作用,研究了泡沫金属填充比和纳米流体对流动及换热性能的影响。研究表明:模拟结果与文献实验结果吻合良好,将泡沫金属填充在管内核心区可以提升换热特性,而纳米流体的加入可以使换热效果增强。在低流速的条件下,换热效果随填充比和纳米流体浓度增大而增强,但泡沫金属填充比和纳米流体体积分数之间存在最佳搭配。研究可知,在填充厚度为6 mm、纳米流体体积分数为0.3%时综合换热性能最佳;流速和填充比的增大有利于强化换热,但压降也随之增大。     

四氧化三铁纳米流体强化热管换热的实验研究

通过实验研究四氧化三铁（Fe3O4）纳米流体重力热管的传热性能。在不同输入功率、不同充液率、不同纳米流体质量浓度的工况下测试热管的外壁温度,再理论计算其等效对流传热系数、热阻。结果表明：当充液率为50%,输入功率为40W时,水基液重力热管和纳米流体重力热管都有最高的等效对流传热系数,并且纳米流体质量浓度为1%时,重力热管具有最高的等效对流传热系数5455.4 W.m-2.K-1,较水基液重力热管最多可增大79.1%。四氧化三铁纳米流体运用于重力热管可以有效减小其热阻、强化其传热性能。     

水基纳米流体流动与换热数值模拟

采用两步法制备体积分数φ为0.001%、0.01%、0.1%的Al_2O_3-H_2O纳米流体,运用热力学相关式进行计算,并采用Lattice Boltzmann方法模拟圆管内Al_2O_3-H_2O纳米流体的流动与换热,研究分析不同纳米粒子体积分数和粒径对纳米流体平均Nu数的影响。结果表明,不同体积分数的Al_2O_3-H_2O纳米流体,随着纳米颗粒的运动,边界层发生变化,其流动特性和换热特性也受到影响,对于相同位置的纳米流体,当体积浓度为0.9%、0.5%、0.1%时,平均Nu数分别为21、17.8、16,随着纳米颗粒体积分数越大,其平均Nu数越大,即换热强度越大。当纳米颗粒为20 nm,Re数为1000、3000、5000、7000、9000时,平均Nu数分别为11.5、14.5、18、20、21.5,随着Re数的增加,纳米流体的强化换热效果越好。     

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。     

Cu-H2O纳米流体平板太阳集热器集热性能研究

采用两步法配制Cu-H2O纳米流体,对不同质量分数、粒径的Cu-H2O纳米流体和水作为平板太阳热水器的集热工质,测试其导热系数,并在相同太阳辐照下进行集热性能实验,研究平板集热器的集热效率、水箱中的水温与得热量。实验结果表明:纳米流体可明显提高水的导热性能。粒径为25 nm,质量分数为0.10%的Cu-H2O纳米流体集热效率比水的提高了23.83%,质量分数为0.20%的Cu-H2O纳米流体的集热效率反而低于0.10%的。粒径为50 nm的Cu-H2O纳米流体集热效率低于粒径为25 nm的。粒径为25 nm、质量分数为0.10%的纳米流体循环系统中最高水温与最高得热量相对于水作为工质分别提高了12.24%和24.52%。     

超临界压力下乳化碳氢燃料换热特性实验研究

为研究乳化碳氢燃料在矩形通道内的换热特性,在压力为3 MPa,质量流量为2.6 g/s,出口流体温度分别为450、500、550、600和650℃,乳化碳氢燃料含水质量分数分别为10%、20%、30%和50%的实验条件下,进行了实验研究,分析了乳化碳氢燃料的含水质量分数与出口流体温度对燃料在矩形通道内的热沉、热流密度与对流换热系数的影响,并与纯碳氢燃料作对比。研究表明:燃料在通道内热沉与热流密度均随含水质量分数与出口流体温度的增加而增加;纯碳氢燃料在通道内的对流换热系数沿轴向逐渐增加;乳化碳氢燃料在通道内会发生传热恶化,第一次传热恶化点随出口流体温度的增加向通道入口方向移动;含水质量分数越高,第一次传热恶化发生越早,第二次传热恶化发生越晚。     

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。     

燃煤可吸入颗粒物磁力聚并脱除特性的实验研究

采用Fw3O4和Fe2O3 2种磁性物质在均匀磁场中对东胜烟煤燃烧产生的粒径0.023～9.318 μm范围内的飞灰粒子进行了聚并实验,研究了飞灰粒子聚并的动力学特征以及不同磁性物质对飞灰粒子聚并的差异.实验结果表明:Fe3O4对飞灰粒子的聚并脱除效率高于Fe2O3,且聚并脱除后粒子中间直径高于Fe2O3;中间粒径粒子的脱除效率高于小粒子和大粒子;随磁感应强度、磁性物质添加比例、气流平均速度、粒子在磁场中停留时间等的增加,飞灰粒子的脱除效率提高,中间粒子直径减小,且小粒子脱除效率的增幅高于大粒子;当粒子达到饱和磁化时,磁感应强度的增强对聚并无影响.数值模拟结果表明,在飞灰粒子质量浓度为40 g/m3时,Fe3O4和Fe2O3对飞灰粒子的脱除效率分别为84%和62%,粒子中间直径从初始的0.151μm分别降低到0.098 μm和0.085 μm.     

纳米流体稳定性及其导热性能研究

为了探究影响纳米流体稳定性和导热系数的因素,采用一步法和两步法分别制备了SiO_2-EG/DW(50∶50)纳米流体和SiO_2-EG纳米流体,探讨团聚体等效直径对纳米流体稳定性的影响。基于瞬态热线法的原理,测量一步法纳米流体的导热系数,分析温度和纳米颗粒质量分数对其导热系数的影响。结果表明:相比一步法制备的纳米流体,两步法纳米流体内团聚体的沉降速度增加了10~3倍,团聚体等效直径对纳米流体稳定性具有关键性的影响。纳米流体导热系数与温度和纳米颗粒质量分数呈线性正相关,纳米流体质量分数为15%时,80℃的样品导热系数相比40℃时提高了5.2%;60℃时,质量分数6%的纳米流体导热系数相比基液提高了6.4%;质量分数增加到15%时,导热系数相比基液提高了15.8%。     

石墨烯量子点GQDs纳米流体导热系数模型

综合考虑布朗运动、纳米液膜层、粒子簇、微尺寸效应等多种因素的影响,建立了石墨烯量子点(graphene quantum dot, GQDs)强化基液导热系数计算模型,使用Hot Disk热常数分析仪测量去离子水质量分数分别为0.002%、0.004%、0.006%、0.008%、0.010%的GQDs纳米流体的热导率进行验证,并且用预测模型对更高温度和更高质量分数GQDs纳米流体的导热系数进行了预测。研究表明：模型预测误差不超过2.5%,准确度较高,可以很好地预测不同质量分数GQDs纳米流体在不同温度下的导热系数;GQDs纳米流体由于布朗运动引起的类似对流换热的作用提升了导热系数;而GQDs的添加比例并非越大越好,添加比例过高反而会产生沉降效果,抑制导热系数的提升。     

半圆形微通道内纳米流体流动与传热特性

为了研究流体流经半圆形微通道的传热与流动特性,对去离子水、Cu-水纳米流体及Al-水纳米流体在21个当量直径为612μm的平行半圆形微通道热沉(微型散热片)中的流动与对流换热特性进行了实验研究。研究发现:与截面为矩形的常规形状相比,半圆形微通道也具有很好的换热效果,与去离子水相比,添加Al和Cu纳米颗粒的纳米流体压降损失增大。当纳米流体的质量浓度为0.5%时,在微通道换热器中的纳米流体效应由于粘度过大等原因发生了恶化,并且这种恶化在高流速下也出现了。根据实验数据得到了半圆形微通道内低浓度纳米流体的层流对流换热以及摩擦阻力系数关联式,对热性能系数的分布曲线进行了综合分析,研究结果对于集成高效芯片散热系统设计具有重要意义。     

泡沫铝通道内瞬态流动的平均换热系数

针对泡沫铝金属填充矩形通道内的对流换热开展了瞬态实验研究,分析了泡沫铝孔径(孔隙率)、流体流量(流速)等关键参数的影响。为了有效地处理实验数据,重新定义并推导了平均换热系数的计算公式,得到了泡沫铝通道内流动的平均换热系数,并引入了基于渗透率的雷诺数和达西数,确定了相关换热、流动准则数关系。实验研究表明,流速的增大有利于对流换热的强化:而平均换热系数对泡沫金属孔径较敏感;对于低孔隙率泡沫金属,渗透率成为影响换热强度的主要因素,相同或接近的孔隙率下,孔径越大,渗透率和达西数越大,越有利于换热,且压损减小。     

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。