水基碳纳米管纳米流体在矩形腔内的自然对流传热

为了评估碳纳米管在强化传热技术中的应用潜力, 采用实验方法研究水基碳纳米管纳米流体在矩形封闭腔内的自然对流传热性能, 由实验得到瑞利数为1.92×105～2.52×106范围内不同颗粒体积分数的纳米流体沿矩形封闭腔热流方向的平均努塞尔数分布.采用瞬态热线法和旋转黏度仪测量水基碳纳米管纳米流体的导热系数和黏度,探究纳米流体导热系数和黏度与纳米颗粒体积分数的变化关系,分析纳米流体导热系数和黏度对纳米流体自然对流传热的影响.结果表明:在封闭腔内纳米流体沿热流方向的平均努塞尔数随着瑞利数的增加而增大,封闭腔内对流传热不断增强;与水的自然对流传热相比,在低瑞利数(Ra＜8.5×105)时,纳米流体自然对流传热效果随着颗粒体积分数的增加而增强;在高瑞利数(Ra＞8.5×105)时,体积分数为0.48%的纳米流体的平均努塞尔数比水大,自然对流传热得到强化,而体积分数为1.45%的纳米流体的平均努塞尔数比水小,自然对流传热减弱.     

多孔介质方腔自然对流的直接数值模拟

为了研究多孔介质方腔的自然对流传热,通过在方腔内布置固体颗粒的方式来模拟多孔介质结构,并采用虚拟区域方法求解多孔介质中的流场和温度场,分析了固体颗粒的数目、布置方式和形状对传热效率的影响.在高Rayleigh数下,多孔介质方腔自然对流的传热主要是通过壁面附近热对流产生的环流.通过直接数值模拟研究发现：当保持Rayleigh数和固体体积分数不变时,随着模拟多孔介质的颗粒数目的增加,壁面平均Nusselt数随之减小,即传热效率降低,进一步的流场分析表明规则排列时最外排颗粒到壁面距离对于传热效率有重要的影响;当固体颗粒数目和体积分数相同时,颗粒随机布置在高Rayleigh数时比颗粒规则布置有更高的传热效率,而颗粒形状对于传热效率的影响则不大.     

内置高温体倾斜多孔腔体中自然对流的LBM模拟

为了研究内置高温体倾斜多孔腔体中流体流动与传热机理,本文采用格子Boltzmann方法从介观尺度对其多孔腔体内自然对流现象进行了模拟研究,讨论了孔隙度ε(0.4,0.7,1.0)、Da数(10~(-4),10~(-2))、Ra数(10~5~10~7)及倾角θ(0°~90°)等参数对其对流传热的影响。模拟结果表明:等温线会随着腔体倾斜向底部偏移;Da=10~(-4)时,流线呈现对称分布特性,Da数增大时,多孔方腔右侧流线会绕过高温方块经过左边区域,流线分布发生偏移。热壁面上平均Nusselt数Nuave随倾角增大呈现特定变化规律,增大孔隙度ε、Da数、Ra数时,均可以增强流体与热壁面之间的自然对流传热能力。     

纳米颗粒形状对螺旋管强化传热的影响

采用欧拉-拉格朗日两相法研究了螺旋管内不同形状纳米流体的传热性能。分析了纳米颗粒形状对螺旋管内传热强度、压降、热力性能的影响。研究结果显示:不同颗粒形状对螺旋管内纳米流体传热强度和压降的影响趋势一致,即传热强度和压降由高到低的顺序为血小板形、圆柱形、刀片形、球形、砖形;在颗粒球形度一定时,粒径越小,传热强度越大,压降也越大;血小板形纳米流体的热力性能优于其他颗粒形状,其在Re为1 750时热力性能系数达到最大值1.11。     

翼片诱导纵向涡强化层流对流传热数值模拟

利用三维数值模拟,分析了圆管内添加翼片后流体的流动结构和对流传热特性。模拟中,翼片与壁面呈45°倾斜放置,选取包含1个翼片的1／6通道进行研究。结果表明,翼片可在下游诱导产生2个旋转方向相反的纵向涡,形成对称的涡偶,涡偶外侧为背壁流,内侧为向壁流。纵向涡结构提高了流体在径向上的速度波动,在翼片下游靠近管壁处,最大速度可达到主流平均速度的80％,增强了对速度边界层的扰动。流场的改善使通道内的温度场分布更加均匀,与光滑通道相比,壁面附近的温度梯度可提高接近1个数量级。流体对壁面的冲刷作用使对流传热得到强化,相对于光滑通道,壁面局部Nu数可提高近50倍。纵向涡对通道内流体的强化传热作用随Re的增加而显著提高。     

有体积热源的矩形空腔内层流自然对流的数值模拟

对具有内热源方腔的稳态层流耦合自然对流换热进行了三维的数值模拟，采用的模拟代码基于连续介质计算力学的开源库OpenFoam，解决了自然对流换热与固体传热的耦合问题．Rα数的变化从10^5到10^9．对外壁面为常温、方腔内充满含体积热源流体的自然对流计算结果表明，温度场、速度场与非耦合的工况有很大差异．     

基于LBM的多孔骨架热物性对固液相变的影响研究

对不同物性骨架对固液相变过程的影响研究可为中低温相变储能技术的应用和发展奠定理论基础。文章基于格子玻尔兹曼方法(LBM),采用两区域焓—多孔介质模型研究了方腔内无填充多孔介质骨架固液相变过程,从孔隙尺度分析了相变过程的流动和传热机理,探讨了方腔内填充不同导热系数的骨架对于相变过程的影响。结果表明:在无填充多孔介质骨架方腔内固液相变过程中传热方式由热传导逐渐向自然对流换热转变,形成向右倾斜的糊状区;它的存在导致相变材料不能完全融化,且在方腔的左侧壁面处存在上窄下宽的固相相变材料;在填充多孔介质骨架方腔内,融化的初始阶段,高导热系数多孔骨架的相变材料融化速率较大,对相变换热起到了明显的促进作用,而当相变过程发展至准稳态阶段,受到右壁面处的低温影响和糊状区的综合作用,相变过程受到明显的抑制,且骨架的导热系数越大,其融化率越低。     

微通道内纳米流体的流动与换热特性

以不同浓度的TiO2-水纳米流体和水为冷却工质,在扇形微通道热沉内进行流动和换热特性模拟和实验研究. 模拟采用有限体积法的两相混合模型,搭建了能测量纳米流体流量、进出口压降和温度、底面加热膜温度的实验系统;工质在微通道内的雷诺数处于207~465,加热膜热流密度为2 × 106 W/m2 . 结果显示:在扇形微通道内,纳米流体的摩擦阻力系数随Re变化趋势与水相似,且均比水大;随着Re的增大,各工质的摩擦阻力系数下降. 纳米流体的传热性能强于水;随着TiO2纳米颗粒浓度和Re的增大,Nu升高,纳米流体的强化传热能力随之提高.     

碳纳米流体特性及其在重力热管内的传热

采用阿拉伯胶辅助分散法制备了一种新型的纳米流体--碳纳米管 水纳米流体,并以其为工质在以铜为管壳的一种新型重力热管内进行了传热实验研究.制备和实验结果表明,碳纳米管 水纳米流体的导热系数比基液水约增加了30％～50％,导热能力明显增强;这种纳米流体黏度低,流动性好,制备过程简单,可用于大规模生产;纳米流体重力热管加热段沸腾换热弱化了纳米流体的稳定性对热管传热性能的影响,实现了纳米流体与重力热管的优势互补;以该纳米流体为工质的重力热管的内热阻比水小,并且随着传输功率的提高,热管总热阻逐渐减小,传热性能逐渐提高.     

混合纳米流体粒子比对热物性参数的影响及性能分析

为了研究氧化物混合纳米流体的粒子混合比对导热系数及粘度的影响,实验采用两步法制备Al2O3-CuO/乙二醇-水混合纳米流体,并用Hot Disk 2500S热常数分析仪及DV3T粘度仪测量了温度范围为20～60℃、20 nm Al2 O3与40 nm CuO颗粒体积比为20:80～80:20的导热系数和粘度值.结果表明,导热系数和粘度均随着小粒径氧化铝颗粒含量的增大而增大,但在粒子比为50:50时导热系数出现最低值.从纳米层结构和颗粒聚集形态分析可知,小粒径颗粒能很好地填充于大粒径颗粒形成的缝隙中,形成"20 nm Al2 O3粒子-基液分子-40 nm CuO粒子"界面纳米层,界面热阻降低,导热系数增大.但是,通过透射电镜图可知在粒子比为50:50时,各颗粒结合不好,形成的团聚体尺寸大,造成局部粒子空白区,导致导热系数下降.最后,分析纳米流体的综合传热性能,Al2 O3-CuO/乙二醇-水混合纳米流体在研究工况内均适合应用于层流流动与传热过程;在紊流时,由于流动扰动强度大,仅当粒子比小于40:60时适合应用于紊流流动与传热过程.     

基于格子Boltzmann方法的倾斜方腔自然对流模拟

采用格子Boltzmann方法对二维封闭方腔自然对流换热进行研究. 通过数值模拟得到在不同Ra数和倾斜角θ下,封闭方腔内的流场、温度场的变化情况. 再根据流场、温度场分析Ra数、倾斜角θ对封闭方腔自然对流换热的影响. 结果表明,Ra数的增大会增强自然对流换热,而倾斜角的增加使得自然对流换热增减交替,当倾斜角为90°时,自然对流换热最弱.     

Application of lattice Boltzmann scheme to nanofluids

The concept of nanofluids is an innovative idea referring to the fluids with suspended nanoparticles[1]. As a new type of heat carrier, the nanofluid has great potential for enhanced thermal management and control involved in a variety of application cases. Some experimental investigations[2—5] have shown that the nanofluid has remarkably higher thermal conductivity and better heat transfer performance than conventional pure fluids. In nature, the nanofluids are multicomponent fluids. But, t…     

碳纳米管纳米流体对液冷式CPU换热性能的改善

针对液冷式CPU（central?processing?unit）散热器散热效果差的问题,设计了液冷式CPU散热器的换热性能实验系统. 该实验系统使用基液丙二醇-水,Al2O3纳米流体和多壁碳纳米管（MWCNTs）纳米流体进行换热实验,采用单变量法对实验条件进行控制. 当加热功率为18.26 W时,基液丙二醇-水的热阻值为0.859 ℃/W,质量分数0.135%的Al2O3纳米流体的热阻值为 0.751 ℃/W,质量分数0.135%的多壁碳纳米管纳米流体的热阻值为0.739 ℃/W,质量分数0.32%的MWCNTs纳米流体的热阻值为0.457 ℃/W. 结果表明:在基液中添加纳米粒子能提高基液的换热能力,MWCNTs纳米流体的换热效果随着质量分数的增加而增强.     

SiC-水纳米流体在微小通道中的流动和换热特性

为了解决传统换热工质导热系数和传热性能不高的问题,以Si C-水纳米流体为工质,研究了不同体积分数(0.001%、0.005%、0.01%、0.1%、1%)的Si C-水纳米流体在多孔微通道平行流扁管中的单相流动和换热特性.该扁管矩形通道的水力直径为2.08 mm,实验Re大约为150~5 200.研究结果表明:随着体积分数的增加,纳米流体的Nu呈现先增长后下降的趋势;体积分数为0.01%的Si C-水纳米流体在Re≈5 200时,Nu增长最大,增长率达到80.8%;纳米流体起到强化换热效果的同时,伴随着阻力增加.     

存在垂直加热时的矩形池内热毛细对流的数值模拟

为了了解垂直加热对矩形浅液池内稳态热毛细对流的影响,利用有限容积法进行了二维直接数值模拟,液池左、右壁分别维持恒定温度Th和Tc,且ThTc,底部被加热,自由表面存在散热,液池宽深比为(20~30),流体为1cSt硅油。结果表明,随着底部加热热流密度的增大,矩形液池内的流动会由单胞或多胞流动转化为旋转方向相反的非对称双胞流动,流动转化过程的临界热流密度随Marangoni数和Biot数的增加而增大,随液池宽深比的增加而减小,液池内的最高温度会随Marangoni数和宽深比的增大而减小。     

氧化铝纳米流体在车用热交换器中的试验研究

研究纳米流体在车用热交换器中的强化传热效果,测试不同纳米粒子体积分数的氧化铝纳米流体在板翅式机油冷却器中的传热和流动特性,并与水、防冻液（乙二醇）及纳米流体基础液体进行对比.试验结果表明,在同一热交换器中,纳米流体的传热系数明显高于其他3种液体.当冷、热侧介质温度为90和120 ℃时,纳米粒子体积分数为5%的纳米流体的传热系数分别比水、乙二醇和基础液体提高6.52%、18.88%和24.62%;当冷、热侧介质温度为120和135 ℃时,体积分数为5%的纳米流体的传热系数比体积分数为1%的纳米流体提高104.72%.在试验条件下,热交换器的换热量随纳米粒子体积分数的增大而增大,但流动阻力并未明显增加,初步证明了纳米流体应用于车用热交换器的可行性.     

Analysis of heat transfer performance for turbulent viscoelastic fluid-based nanofluid using field synergy principle

In this paper,the field synergy principle is firstly performed on the viscoelastic fluid-based nanofluid and other relevant fluid in channel at turbulent flow state to scrutinize their heat transfer performance based on our direct numerical simulation database.The cosine values of intersection angle between velocity vector and temperature gradient vector are calculated for different simulated cases with varying nanoparticle volume fraction,nanoparticle diameter,Reynolds number and Weissenberg number.It is found that the filed synergy effect is enhanced when the nanoparticle volume fraction is increased,nanoparticle diameter is decreased and Weissenberg number is decreased,i.e.the heat transfer is also enhanced.However,the filed synergy effect is weakened with the increase of Reynolds number which may be the possible reason for the power function relationship in empirical correlation of heat transfer between heat transfer performance and Reynolds number with the constant power exponent lower than 1.Finally,it is also observed that the field synergy principle can be used to analyze the heat transfer process of viscoelastic fluid-based nanofluid at the turbulent flow state even if some negative cosine values of intersection angle exist in the flow field.     

ZnO和ZnO/Au纳米流体的制备及光热转换性能

太阳能光热利用是太阳能利用的重要方面,其中,纳米流体光学特性对太阳能光热利用效率起着决定性作用。通过水热法制备不同形貌的ZnO纳米颗粒,再利用硼氢化钠还原法将Au成功还原在ZnO纳米颗粒上,制备出ZnO/Au复合纳米材料。通过SEM、XRD表征ZnO和ZnO/Au纳米粒子的形貌结构与成分。经紫外/可见/近红外吸收光谱测试表明ZnO/Au纳米流体显著提高了在可见光波段的吸收。通过光热转换实验表明,花状ZnO纳米流体的光热转换性能优于棒状ZnO纳米流体, ZnO/Au纳米流体由于Au的等离激元效应,光热转换特性增强。当浓度为1.0 mg/mL时,棒状ZnO/10%Au纳米流体光热转换效率为59%,比纯导热油纳米流体提高16%;当浓度为0.5 mg/mL时,花状ZnO/10%Au纳米流体光热转换效率为71%,比纯导热油纳米流体提高28%。     

Convective heat transfer and flow characteristics of Cu-water nanofluid

An experimental system is built to investigate convective heat transfer and flow characteristics of the nanofluid in a tube. Both the convective heat transfer coefficient and friction factor of Cu-water nanofluid for the laminar and turbulent flow are measured. The effects of such factors as the volume fraction of suspended nanoparticles and the Reynolds number on the heat transfer and flow characteristics are discussed in detail. The experimental results show that the suspended nanoparticles remarkably increase the convective heat transfer coefficient of the base fluid and show that the friction factor of the sample nanofluid with the low volume fraction of nanoparticles is almost not changed. Compared with the base fluid, for example, the convective heat transfer coefficient is increased about 60% for the nanofluid with 2.0 vol% Cu nanoparticles at the same Reynolds number. Considering the factors affecting the convective heat transfer coefficient of the nanofluid, a new convective heat transfer correl