納米流體強(qiáng)化熱量與動(dòng)量傳遞的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、納米流體是指以一定比例，在液體中添加納米級(jí)金屬、金屬氧化物或非金屬顆粒形成的一類新型傳熱冷卻介質(zhì)。納米流體較傳統(tǒng)的冷卻介質(zhì)具有以下優(yōu)勢(shì):1）納米流體對(duì)流換熱系數(shù)的增加，不以流動(dòng)阻力的增加為代價(jià);2）納米流體中顆粒的尺度為納米量級(jí)，其行為接近于液體分子，不會(huì)像毫米或微米級(jí)顆粒，易產(chǎn)生摩擦或堵塞的不良結(jié)果;3）納米流體的傳熱效果與納米顆粒的成份、比例、形狀等因素有關(guān)，可根據(jù)傳熱量需求，合理的設(shè)計(jì)傳熱過(guò)程。由此可見(jiàn)，納米流體作為新型傳熱冷卻介

2、質(zhì)，在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。
　　已有的研究結(jié)果表明，納米流體強(qiáng)化傳熱的物理機(jī)制主要有兩方面:一是納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)顯著高于基礎(chǔ)流體;二是納米顆粒在基礎(chǔ)流體中的微運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化了基礎(chǔ)流體的動(dòng)量傳遞。人們對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)已開(kāi)展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，并證實(shí)了導(dǎo)熱系數(shù)增加的物理機(jī)制。然而關(guān)于納米顆粒對(duì)基礎(chǔ)流體動(dòng)量傳遞特性的影響則少見(jiàn)報(bào)道。為此，本文著重開(kāi)展了這方面的研究工作。
　　本文采用實(shí)驗(yàn)研究方法，開(kāi)展了納米流體的

3、熱量與動(dòng)量傳遞特性研究，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　一、納米流體的制備。采用“兩步法”配制出實(shí)驗(yàn)所需納米流體，并對(duì)配制的納米流體開(kāi)展透射電鏡和懸浮穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)納米流體的分散性和懸浮穩(wěn)定性均較好，為接下來(lái)的研究打下基礎(chǔ)。
　　二、納米流體輸運(yùn)參數(shù)的測(cè)定。為全面掌握納米流體的基本性質(zhì)，對(duì)納米流體輸運(yùn)參數(shù)（導(dǎo)熱系數(shù)、粘度、比熱）進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)體積濃度、粒徑和顆粒形狀對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)、粘度和比熱有較大影響。
　　三、納米流體

4、的流動(dòng)和傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究。搭建流動(dòng)與傳熱特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)量納米流體的阻力和傳熱系數(shù)。發(fā)現(xiàn)納米流體對(duì)流換熱系數(shù)的增加，不以阻力的增加為代價(jià);導(dǎo)熱系數(shù)增大對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)貢獻(xiàn)比例較小;納米顆粒的體積濃度、直徑和形狀均對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)有較大影響;單相流傳熱特性關(guān)聯(lián)式已不適用于納米流體，從而建立了納米流體對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。對(duì)上述研究結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)納米顆粒對(duì)基礎(chǔ)流體動(dòng)量傳遞的強(qiáng)化，是增大對(duì)流換熱系數(shù)的主要原因。
　　四、納米流體的流動(dòng)可視

5、化與動(dòng)量傳遞特性的實(shí)驗(yàn)研究。搭建納米流體流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)。為了便于流場(chǎng)觀測(cè)，用有機(jī)玻璃制成的波壁管作為實(shí)驗(yàn)段，進(jìn)行了流動(dòng)可視化實(shí)驗(yàn)，直觀的考察了納米流體與基礎(chǔ)流體的流場(chǎng)差異;采用得失電子的電化學(xué)方法，測(cè)量了納米流體的質(zhì)量傳遞系數(shù)，以此定量的研究納米流體動(dòng)量傳遞特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在相同Re下，納米流體的流場(chǎng)紊亂度高于基礎(chǔ)流體，其質(zhì)量傳遞系數(shù)也顯著高于基礎(chǔ)流體。在上述實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的分子動(dòng)力學(xué)和CFD研究結(jié)果，對(duì)納米顆粒強(qiáng)化基礎(chǔ)

6、流體動(dòng)量傳遞進(jìn)行了理論分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了動(dòng)量傳遞的增強(qiáng)是強(qiáng)化傳熱的主要原因。
　　五、納米流體復(fù)合強(qiáng)化動(dòng)量與熱量傳遞特性的實(shí)驗(yàn)研究。由于輸運(yùn)參數(shù)的改變對(duì)納米流體動(dòng)量和熱量傳遞系數(shù)提升有限，故采用繼續(xù)增加擾動(dòng)的方式，進(jìn)一步增強(qiáng)納米流體的動(dòng)量傳遞。本研究通過(guò)改變管型（變化波壁管的波幅）、外加脈動(dòng)流場(chǎng)（入口前添加平行于流動(dòng)方向的脈動(dòng)）和施加往復(fù)運(yùn)動(dòng)（施加垂直于流動(dòng)方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)）的方式，來(lái)進(jìn)一步增加基礎(chǔ)流體的紊亂度，以達(dá)到繼續(xù)強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞