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.     

纳米流体传热强化技术

主要汇总了国内外纳米流体传热强化技术的研究成果,对纳米流体传热强化技术的国内外研究发展状况进行了综述;针对纳米流体的物性参数及流动情况,分析了纳米流体的强化传热机理;并具体阐述了纳米流体的主要物性参数——导热系数和粘度的影响因素;叙述了纳米流体的在各个领域中的应用并对其未来进行了展望。     

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。     

纳米颗粒强化热虹吸管传热特性的实验研究

随着纳米技术的飞速发展,研究者逐渐把这一高新技术应用于热能动力领域。提出了在热虹吸管里面添加纳米颗粒。从理论和实验研究了这种热虹吸管蒸发段的工作特性,结果表明,与普通热管相比较,这种新式热管具有很好的启动特性,低的管壁温度,换热系数提高了47％,96％,轴相热流率提高了7．6％-15％。其换热性能随纳米颗粒粒径的减小而提高,随纳米颗粒加入量有所增加。当超过一定量时换热性能反而降低了。这种新的方法简单而且容易应用于工业技术中。     

内燃机冷却系统中应用纳米流体强化传热研究综述

内燃机工作时依赖冷却系统将多余热量及时带走以保证燃烧室核心部件及润滑油膜的正常工作温度。常规内燃机冷却介质导热系数偏低,而新一代强化传热工质纳米流体具有明显提升的传热性能,应用于内燃机冷却系统有利于强化内燃机传热及提高热管理性能。且由于纳米流体的传热性能受纳米粒子的种类、大小、浓度、形状等因素影响,可以通过改变这些因素控制内燃机冷却水腔的传热量。综述了国内外研究者针对纳米流体导热系数与对流换热性能开展的试验测试、理论分析和计算机模拟研究工作,以及纳米流体应用于内燃机冷却系统中强化传热的进展,最后指出当前研究工作的不足及未来工作方向。     

不同纳米流体水平管内沸腾流型的模拟

对以纯水为基液的不同纳米流体管内流动沸腾进行了模拟。利用UDF编程定义流体的沸腾相变源项,将其导入FLUENT软件中分别模拟这四种流体在水平管内的流动沸腾过程。得到了四种流体流动沸腾的速度云图,以及流型分布云图。对比分析了四种流体的速度分布云图、四种流体从初始状态沸腾到1s时的流型分布云图以及四种流体层状流流型的特点。结果表明,四种流体在水平管内沸腾都会出现泡状流、弹状流、层状流以及波状流四种流型,并且沿管长方向含气量逐渐增加。在相同的时间内,纳米流体的沸腾比纯水更剧烈,而且,不同的纳米流体沸腾程度也不同。在相同的体积分数下,纳米颗粒的导热系数越大,其对应的纳米流体沸腾越剧烈。说明纳米颗粒的导热系数是影响纳米流体沸腾传热的主要因素。     

多壁碳纳米管纳米流体的大容积沸腾

通过在直径为12 mm的沸腾表面进行的多壁碳纳米管阿拉伯树胶水溶液的大容积沸腾实验,研究其沸腾传热特性。纳米流体的沸腾传热效果弱于阿拉伯树胶水溶液,烧毁点的过热度增加而临界热流密度减小,同时,阿拉伯树胶水溶液的传热效果劣于水。纳米颗粒在沸腾加热表面富集、结垢引起液体密度、沸腾表面上活化核心数目的变化,随传热时间的延长,垢层结构包括毛细孔直径、空隙率、垢层厚度不断发生变化,进而引起蒸汽在毛细孔中的流动阻力不断增加、加热表面和垢层间热阻增加,沸腾表面的活化核心数目减小,阿拉伯树胶在蒸发表面的局部富集、黏度大大增加,最终导致沸腾传热恶化。     

磁性纳米流体Fe3O4-H2O对流换热特性研究

建立磁性纳米流体Fe3O4-H2O对流换热特性实验系统,研究有无外磁场、磁场强度、磁场方向,纳米粒子质量分数、轴向比等因素对磁性纳米流体对流换热系数的影响。实验结果表明:对流换热系数随磁场强度的增加而增大;当磁场方向与流体运动方向一致时,外磁场强化了对流换热过程;外磁场对低流速流体的对流换热过程影响比对高流速更为显著;外磁场作用于流体入口段时对流换热系数得到明显提高;质量分数范围α=0.6%~0.8%的Fe3O4-H2O纳米流体可有效强化其对流换热性能。     

一个水基SiO2纳米流体核态池沸腾数学模型

基于水基SiO_2纳米流体沸腾实验研究结果,在双流体多相流模型和热流分区模型(RPI模型)的基础上建立了一个水基SiO_2纳米流体核态池沸腾数学模型。结果表明:汽化核心密度、气泡脱离直径和纳米流体润湿角是纳米流体换热性能提升的主要原因,所建立的新的汽化核心密度、气泡脱离直径模型预测结果与实验数据吻合非常好,证明该模型的可靠性,给精确预测水基SiO_2纳米流体核态沸腾换热特性提供了重要参考。     

管内疏水壁面纳米流体的传热与减阻特性研究

纳米流体强化对流传热的同时,往往不可避免地增加流动阻力,这将增大泵功,造成能量的浪费。疏水壁面具有减阻的特性,将纳米流体与疏水壁面相结合,试图达到既强化传热,又减小流动阻力的目的。多数的疏水壁面制备工艺,仅可处理小尺寸的平直壁面,,而无法在面积和曲率较大如管路内壁面做疏水处理。利用简单的置换反应方法,辅以低表面能苯甲酸修饰剂,制备得到了疏水的铜管内壁面。纳米流体在疏水壁面的对流传热和流动阻力实验结果表明,体积浓度2.000%的SiO2/DI-water纳米流体,可将对流传热系数提高18.10%,同时使达西摩擦系数降低4.9%。纳米流体和疏水壁面的搭配组合,是推动纳米流体在传热领域中广泛应用的有效方案。     

基于响应面与搜索算法的颗粒物强化传热分析方法

基于管内强化传热概念,采用中心组合实验设计方法和多孔介质模型,对管内填充颗粒物强化换热器传热进行模拟计算。应用响应面方法建立了管内颗粒物粒径、孔隙率及管内流速与传热量之间的回归模型,并采用搜索算法对该模型进行优化求解,得到了该模型的最佳填充物参数。结果表明,管内颗粒物强化传热的响应面模型能准确预测颗粒物及入口流速对传热能力的影响。该方法用于颗粒物强化传热研究,能够减少工作量,快速确定填充物最佳结构参数。     

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。     

纳米流体强化活塞组-气缸套传热的数值模拟研究

将活塞组-气缸套作为一个耦合体,利用数值模拟法研究了只在润滑油中与只在冷却水中加入纳米Cu颗粒两种情况下的强化传热效果,并与原机传热情况进行比较。研究结果表明:无论是以Cu-润滑油纳米流体还是以Cu-水纳米流体作为传热工质,都可以显著提高活塞组-气缸套的散热性能,且散热量随着纳米粒子浓度的增高而增大。对于活塞侧,Cu-润滑油纳米流体的改善效果强于Cu-水纳米流体,其中Cu体积分数为5%的Cu-润滑油纳米流体可使燃烧室中心点a、燃烧室喉口点b、顶面外边缘点c和第一环外侧上边缘点d的温度平均降低约28.4、21.7、22.8和27.7K;对于气缸套侧,Cu-水纳米流体强化换热效果更理想,Cu体积分数为5%的Cu-水纳米流体可使气缸套内侧上边缘点e的温度平均降低约10.4K。     

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。     

基于均匀设计法的Al_2O_3纳米流体稳定性影响因素的实验研究

采用均匀设计法对利用两步法制备的氧化铝纳米流体进行了稳定分析。将悬浮液的zeta电位作为氧化铝纳米流体稳定性的衡量指标。在实验中,选择了四个因素,分别为纳米流体的浓度、分散剂的浓度、pH值、超声震荡时间,并对这四个因素都取了12个水平,这样的实验设计可以系统地反映出各个因素如何影响氧化铝纳米流体的稳定性。随后通过对实验结果进行回归分析,得到了关于这四个因素与纳米流体zeta电位的方程式,并分析得出悬浮液的pH值和超声震荡时间对纳米流体稳定性起着非常重要的作用。最后找到了在实验范围中的最佳纳米流体溶液的配方,并按此配方配制纳米流体,测得实际zeta电位值与预测值吻合较好。