納米流體強化熱量與動量傳遞的實驗研究.pdf

1、納米流體是指以一定比例，在液體中添加納米級金屬、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:1）納米流體對流換熱系數(shù)的增加，不以流動阻力的增加為代價;2）納米流體中顆粒的尺度為納米量級，其行為接近于液體分子，不會像毫米或微米級顆粒，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)計傳熱過程。由此可見，納米流體作為新型傳熱冷卻介

2、質(zhì)，在強化傳熱領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。
　　已有的研究結(jié)果表明，納米流體強化傳熱的物理機制主要有兩方面: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)流體中的微運動，強化了基礎(chǔ)流體的動量傳遞。人們對納米流體導(dǎo)熱系數(shù)已開展了大量的理論和實驗研究工作，并證實了導(dǎo)熱系數(shù)增加的物理機制。然而關(guān)于納米顆粒對基礎(chǔ)流體動量傳遞特性的影響則少見報道。為此，本文著重開展了這方面的研究工作。
　　本文采用實驗研究方法，開展了納米流體的

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

4、的流動和傳熱特性的實驗研究。搭建流動與傳熱特性實驗臺，測量納米流體的阻力和傳熱系數(shù)。發(fā)現(xiàn)納米流體對流換熱系數(shù)的增加，不以阻力的增加為代價;導(dǎo)熱系數(shù)增大對對流換熱系數(shù)貢獻比例較小;納米顆粒的體積濃度、直徑和形狀均對對流換熱系數(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流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。對上述研究結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)納米顆粒對基礎(chǔ)流體動量傳遞的強化，是增大對流換熱系數(shù)的主要原因。
　　四、納米流體的流動可視

5、化與動量傳遞特性的實驗研究。搭建納米流體流動可視化實驗臺。為了便于流場觀測，用有機玻璃制成的波壁管作為實驗段，進行了流動可視化實驗，直觀的考察了納米流體與基礎(chǔ)流體的流場差異;采用得失電子的電化學(xué)方法，測量了納米流體的質(zhì)量傳遞系數(shù)，以此定量的研究納米流體動量傳遞特性。實驗結(jié)果表明:在相同Re下，納米流體的流場紊亂度高于基礎(chǔ)流體，其質(zhì)量傳遞系數(shù)也顯著高于基礎(chǔ)流體。在上述實驗研究基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的分子動力學(xué)和CFD研究結(jié)果，對納米顆粒強化基礎(chǔ)

6、流體動量傳遞進行了理論分析，進一步驗證了動量傳遞的增強是強化傳熱的主要原因。
　　五、納米流體復(fù)合強化動量與熱量傳遞特性的實驗研究。由于輸運參數(shù)的改變對納米流體動量和熱量傳遞系數(shù)提升有限，故采用繼續(xù)增加擾動的方式，進一步增強納米流體的動量傳遞。本研究通過改變管型（變化波壁管的波幅）、外加脈動流場（入口前添加平行于流動方向的脈動）和施加往復(fù)運動（施加垂直于流動方向往復(fù)運動）的方式，來進一步增加基礎(chǔ)流體的紊亂度，以達到繼續(xù)強化熱質(zhì)傳遞