納米流體的熱物性預測建模及強化流動換熱特性研究.pdf

1、作為一種特殊的液-固兩相混合物，納米流體因具有較高的熱導率與換熱性能而受到工程熱物理領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。近年來，大量的研究結(jié)果表明，受制備工藝、環(huán)境以及測試技術(shù)等諸多因素的影響，納米流體的制備方法至今還不成熟，實際工程應用中的納米流體穩(wěn)定性問題依然十分突出，成為制約納米流體發(fā)展的主要障礙。此外，考慮到納米顆粒的小尺寸特征，納米流體內(nèi)部的熱、質(zhì)輸運機理極其復雜，使得熱導率與粘度的變化規(guī)律難以采用傳統(tǒng)的液-固兩相輸運理論直接進行有效描述，進而導

2、致納米流體的能量傳遞與流動特性目前尚未完全清楚。因此，進一步實驗研究納米流體的制備穩(wěn)定性問題，探索不同因素影響下的納米顆粒輸運規(guī)律，完善納米流體的熱物性建模方法，揭示納米流體的強化傳熱傳質(zhì)特性，具有較高的學術(shù)理論研究意義和重要的工程應用價值。
　　本文以納米流體在板翅式換熱器中的應用為背景，在納米流體的制備穩(wěn)定性分析、熱導率與粘度預測建模、強化鋸齒翅片通道流動換熱特性與評價等幾個方面進行了相關(guān)研究，具體的工作如下：
　　(1

3、)采用“兩步法”制備得到了Al2O3-H2O納米流體，并對影響納米流體穩(wěn)定性的兩種因素進行了對比分析。結(jié)果表明，超聲處理與分散劑是提高納米顆粒均勻性與納米流體穩(wěn)定性的重要因素，并且與超聲處理相比，分散劑對納米流體穩(wěn)定性的影響更加明顯。
　　(2)實驗研究了納米顆粒體積分數(shù)、尺寸(超聲處理)和溫度對納米流體熱導率與粘度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的納米流體熱物性預測建模方法。研究發(fā)現(xiàn)，隨著納米顆粒體積分數(shù)的增加、納米

4、顆粒尺寸的減少(即超聲處理時長的增加)以及溫度的升高，納米流體熱導率與粘度的強化程度更加明顯。此外，實例分析結(jié)果表明，在數(shù)據(jù)樣本充足的條件下，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠有效實現(xiàn)納米流體熱導率與粘度的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模。
　　(3)針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以有效解決小樣本條件下的納米流體熱物性預測問題，從納米流體熱導率與粘度的強化機理出發(fā)，兼顧不同因素的影響規(guī)律，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)修正，分別建立了納米流體的熱導率與粘度理論模型。實例驗證結(jié)果顯示，界面層與納米

5、顆粒布朗運動對納米流體熱導率的強化與粘度的升高有不同程度的影響，相比現(xiàn)有的理論模型而言，本文所提出的理論模型具有更好的預測精度與普適性能。
　　(4)基于單相流方法數(shù)值模擬研究了水基納米流體在鋸齒翅片通道中的層流流動與換熱特性，并對納米顆粒屬性的影響機理進行了分析，得到了納米流體在鋸齒翅片通道中的流動與換熱特性關(guān)聯(lián)式。數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒的懸浮濃度、尺寸以及類型均是影響納米流體強化鋸齒翅片通道換熱的重要因素，并且每一種因素的影響

6、機理不同。在較低雷諾數(shù)條件下，添加體積分數(shù)較高與尺寸較小的Al2O3納米顆粒更有利于改善納米流體的換熱性能，而考慮納米流體的流動特性，發(fā)現(xiàn)納米流體在低納米顆粒體積分數(shù)、大納米顆粒尺寸以及高熱導率情況下的綜合性能更好。
　　(5)考慮納米流體的換熱強化與流動增阻問題，建立了適用于納米流體單相強化鋸齒翅片通道換熱的綜合性能評價準則，并采用單相法進行了數(shù)值驗證。認為受納米流體熱物性參數(shù)的影響，傳統(tǒng)的表面強化換熱綜合評價指標與準則假設(shè)并不