減阻型納米流體的管內(nèi)流動(dòng)與換熱特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文目的在于系統(tǒng)地研究納米流體的流動(dòng)和換熱特性,以及利用納米流體的強(qiáng)化換熱特性解決減阻流體換熱劣化的問題。論文總結(jié)了關(guān)于納米粒子性質(zhì)、納米流體的制備、納米流體的導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和流動(dòng)阻力等諸多文獻(xiàn),制備了添加表面分散劑和未添加表面分散劑的兩種類型納米流體(后一種以后稱之為納米粒子懸浮液),并測(cè)量了其導(dǎo)熱系數(shù)、粘度等物性。本文對(duì)未添加表面分散劑的氧化銅(CuO)-水和碳納米管(CNT)-水納米粒子懸浮液進(jìn)行了小管(內(nèi)徑1.02mm)內(nèi)的流動(dòng)

2、和對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍為500～10000,研究了其流動(dòng)和換熱特性,重點(diǎn)調(diào)查了液溫對(duì)流動(dòng)和換熱特性的影響。此外,本研究制備了一種新型納米流體:減阻型納米流體,即結(jié)合陽離子表面活性劑減阻流體和納米流體技術(shù)的一種新型工質(zhì),并對(duì)其進(jìn)行了管內(nèi)(內(nèi)徑25.6mm)流動(dòng)和對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍為10000～50000,研究了其流動(dòng)和對(duì)流換熱特性,重點(diǎn)考慮液溫對(duì)它們的影響。最后針對(duì)納米流體物性變化對(duì)換熱特性的影響做了一些常規(guī)的數(shù)值計(jì)算,

3、以確定在納米流體的流動(dòng)和換熱中,微觀納米特性有多大影響。
　　 通過對(duì)制備的CuO-水和CNT-水納米粒子懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量和粘度測(cè)量發(fā)現(xiàn):懸浮液的納米粒子濃度和懸浮液溫度對(duì)懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)都有著重要的影響,懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)隨著納米粒子濃度和懸浮液溫度的升高而升高,傳統(tǒng)描述大顆粒固液混合物的導(dǎo)熱系數(shù)模型不能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)納米懸浮液的導(dǎo)熱系數(shù)。其因?yàn)闉?由于納米粒子的微小性,使其能夠像分子一樣產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng),液溫的升高使納米粒子的熱運(yùn)動(dòng)

4、增強(qiáng),粒子與粒子、粒子與基液之間的熱交換進(jìn)一步增強(qiáng),從而導(dǎo)致懸浮液導(dǎo)熱系數(shù)強(qiáng)化率的提升。這一結(jié)論與以往的研究結(jié)果是一致的。
　　 通過對(duì)小管內(nèi)CuO-水和CNT-水納米粒子懸浮液的流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):CuO-水納米懸浮液流動(dòng)實(shí)驗(yàn)之后,管內(nèi)表面有CuO納米顆粒吸附沉降,沉降的納米顆粒填塞在金屬面表面縫隙中,降低了表面粗糙度,減小了流體的阻力,而CuO納米流體和CNT-水懸浮液則未表現(xiàn)出降低阻力的現(xiàn)象,其因?yàn)橐簿褪且驗(yàn)镃uO納

5、米流體中的表面分散劑具有粘結(jié)作用,將納米粒子粘結(jié)在管壁上形成不規(guī)則垢層,而CNT長(zhǎng)徑比大,并且相互團(tuán)聚,從而都不能填塞管內(nèi)壁縫隙而降低表面粗糙度。液溫對(duì)懸浮液的流動(dòng)阻力沒有影響。
　　 通過對(duì)小管內(nèi)CuO-水和CNT-水納米粒子懸浮液的對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):在常溫、低濃度(質(zhì)量份額小于等于2wt％)時(shí),納米懸浮液的對(duì)流換熱特性可以按傳統(tǒng)工質(zhì)整理,而在濃度較高時(shí)(4wt％),懸浮液的換熱能力相比純水有所提高,體現(xiàn)出了一定的納米

6、特性。液溫對(duì)懸浮液的換熱特性有著很大的影響,58℃時(shí),CuO-水和CNT-水懸浮液都表現(xiàn)出了納米特性。其因?yàn)閼?yīng)為,濃度高、溫度高時(shí),納米粒子的熱運(yùn)動(dòng)更為強(qiáng)烈,粒子與粒子、粒子與基液熱交換變得更加頻繁。
　　 通過對(duì)減阻型納米流體的管內(nèi)流動(dòng)阻力和對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):本實(shí)驗(yàn)工況下(管徑25.6mm),減阻流體的流動(dòng)阻力和換熱趨勢(shì)與已有研究類似。減阻型納米流體的最佳表面活性劑濃度為300ppm,減阻型納米流體在22℃時(shí),其減阻特

7、性最好,減阻型納米流體的換熱特性也得到劣化,減阻型納米流體在48℃時(shí),減阻性能消失,而其換熱特性最好,可靈活利用減阻型納米流體流動(dòng)阻力和換熱特性對(duì)溫度的依賴性,控制流動(dòng)和換熱特性,如果能實(shí)現(xiàn)將減阻型納米流體的流動(dòng)區(qū)域溫度控制在22℃,而換熱區(qū)域溫度控制在48℃,那么減阻型納米流體的綜合強(qiáng)化效率將能達(dá)到3.O以上(以4wt％CNT減阻型納米流體為例),減阻型納米流體具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　 通過關(guān)于CuO-水納米減阻型納米流