基于LBM的納米流體自然對流和沸騰換熱特性研究.pdf

1、納米流體作為一種新型的傳熱介質,由于自身具有較高的導熱系數(shù),可應用于傳熱領域,逐漸展現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟價值和廣闊的市場應用前景。但是有關納米流體自然對流和沸騰換熱特性的研究較少,并且一些研究者們研究了納米顆粒份額很大和很小時的自然對流和沸騰換熱特性,得出結論:在很大份額時,納米流體起到了弱化換熱的作用,在很小份額時納米流體強化了基液的自然對流或沸騰換熱。鑒于此,在強化與弱化之間,需要對納米流體的自然對流和沸騰換熱進行進一步的研究。本文采用基

2、于格子Boltzmann方法的數(shù)值模擬和實驗研究兩種方法對納米流體的自然對流和沸騰換熱特性進行了研究。
　　運用所建立的單相格子Boltzmann模型對Al2O3-水納米流體在腔體內的自然對流換熱進行了模擬。研究了不同的納米顆粒體積分數(shù)、不同的瑞利數(shù)、不同的腔體寬高比對Al2O3-水納米流體自然對流換熱特性的影響。結果顯示,對于體積分數(shù)為0.01≤φ≤0.05的Al2O3-水納米流體而言,在方腔內的自然對流換熱,隨著納米顆粒體積分

3、數(shù)的增加,納米流體起到了弱化換熱的作用,而在矩形方腔內,隨著納米顆粒體積分數(shù)的增加,納米流體起到了強化換熱的作用,并且腔體寬高比越小,強化換熱作用越明顯。
　　運用建立的兩相格子Boltzmann模型分別對方腔內和矩形腔內的Al2O3-水納米流體的自然對流換熱特性進行了模擬,分析了納米顆粒份額、瑞利數(shù)、腔體的寬高比對自然對流換熱特性的影響,研究了兩相之間作用力的大小以及納米顆粒在腔體內的分布情況。結果顯示,對于左壁面加熱、右壁面冷

4、卻的方腔內納米流體的自然對流,在較低的納米顆粒質量分數(shù)下納米流體起到了強化換熱的作用,而在較高的納米顆粒質量分數(shù)下納米流體起到了弱化換熱的作用;對于左壁面加熱、上壁面冷卻的方腔和下壁面加熱、左右兩壁面冷卻的矩形方腔內的納米流體的自然對流,隨著納米顆粒份額的增大,納米流體均起到了強化換熱的作用;其中,外力(溫差驅動力)的數(shù)量級最大,這對納米顆粒的分布起到了很重要的影響。
　　本文配制了不同份額的Al2O3-水納米流體,測量了其導熱系

5、數(shù)和流變特性,搭建了自然對流換熱實驗臺,通過對比去離子水的努塞爾特數(shù)的實驗結果和相關文獻水的努塞爾特數(shù)的結果,驗證了實驗臺的可靠性。研究了Al2O3-水納米流體在方腔內的自然對流特性,結果顯示,在較低的納米顆粒體積分數(shù)下(φ<0.005),隨著納米顆粒體積分數(shù)的增大,納米流體起到了強化換熱的作用,反而在較高的納米顆粒體積分數(shù)下(φ>0.005),隨著納米顆粒份額的增加,納米流體起到了弱化換熱的作用,和模擬的結果是一致的。
　　運用

6、沸騰氣泡運動的格子Boltzmann模型,模擬對比了去離子水和TiO2-水納米流體沸騰氣泡的聚并,研究了氣泡界面厚度、氣泡界面之間的距離、遷移率、放置方式和表面張力對氣泡聚并的影響。結果顯示,當氣泡界面之間的距離大于2.17倍的氣泡界面厚度時,氣泡之間不會發(fā)生聚并,反之,則能發(fā)生聚并;遷移率越大,氣泡聚并的速度越快;放置方式不會對聚并速度產(chǎn)生影響,但是會影響聚并過程中氣泡的形狀;表面張力越小,氣泡聚并的速度越小,導致納米流體中的沸騰氣泡

7、尺寸小于去離子水中的沸騰氣泡尺寸。
　　搭建了沸騰換熱的實驗臺和沸騰換熱氣泡運動觀測實驗臺。通過對比水的沸騰換熱系數(shù),驗證了實驗臺的可靠性。研究了Al2O3-水納米流體的沸騰換熱特性,結果顯示,在較低的納米顆粒體積分數(shù)下(φ<0.005),隨著納米顆粒體積分數(shù)的增大,納米流體起到了強化換熱的作用,反而在較高的納米顆粒體積分數(shù)下(φ>0.005),隨著納米顆粒份額的增加,納米流體起到了弱化換熱的作用。通過沸騰換熱氣泡運動觀測的實驗臺