車用散熱器中納米流體高溫傳熱基礎問題研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代發(fā)動機功率密度的不斷提高，傳統(tǒng)冷卻液已經(jīng)逐漸不能滿足冷卻系統(tǒng)高負荷的散熱要求，有必要開發(fā)新型高效傳熱的冷卻液。納米流體技術的出現(xiàn)，為車輛冷卻系統(tǒng)和車用散熱器的發(fā)展提供了新的思路，為工程強化傳熱領域帶來了新的研究方向。 本文研制了300余種納米流體的配方，對其懸浮穩(wěn)定性、導熱系數(shù)、比熱容、粘度等重要特性參數(shù)分別做了較為詳盡的試驗研究，并分析推導了相應的預測模型。從眾多配方中篩選了具有高沸點、高導熱系數(shù)的有機型納米流體，并與

2、常規(guī)冷卻液進行了基于車用散熱器的高溫小溫差傳熱對比試驗，驗證了納米流體在車用散熱器中高溫小溫差傳熱的可行性和有效性。 通過靜置觀察和TEM電鏡觀察研究了納米流體的懸浮穩(wěn)定性，試驗表明，納米粒子、基礎液體、分散劑特性及超聲振動等都關系著納米流體的懸浮穩(wěn)定性，普遍規(guī)律是粒子濃度低、粒徑小、密度小、基礎液體粘度大的納米流體懸浮穩(wěn)定性相對較好。采用自行設計的瞬態(tài)熱線法裝置測試了納米流體的導熱系數(shù)，結果顯示納米流體相對基礎液體導熱系數(shù)的增

3、加率隨著粒子體積份額的增加、粒徑的減小和懸浮穩(wěn)定性的優(yōu)化而增加；分析了納米流體導熱增強機理，考慮了納米粒子的小尺寸效應、納米粒子的聚集、固液微界面和微對流，在H-C模型的基礎上提出了低濃度納米流體的導熱系數(shù)修正預測模型。采用自行設計的比較量熱法裝置測試了納米流體的比熱容，結果顯示納米流體比熱容比基礎液體小，納米粒子的體積份額越大則納米流體比熱容越?。环治隽思{米流體比熱容的增量來源于納米粒子的小尺寸效應，推導了適合低濃度納米流體比熱容的預

4、測模型。采用旋轉(zhuǎn)粘度計測試了納米流體的動力粘度，揭示了粘度與溫度、粒子體積份額及懸浮穩(wěn)定性之間的關系；在Einstein混合物粘度公式的基礎上考慮了粒子聚集的影響，推導了低濃度納米流體粘度預測公式。 納米流體的傳熱強化機制有靜態(tài)機制和動態(tài)機制兩個方面。靜態(tài)機制來自于納米流體導熱性能的優(yōu)化，動態(tài)機制來自于納米流體系統(tǒng)中粒子的布朗運動引起的熱擴散和碰撞作用，粒子之間、粒子與壁面之間在碰撞中產(chǎn)生能量損失，引起能量的遷移，是納米流體傳熱

5、能力增強的重要因素。將納米流體應用到某型號的車用機油冷卻器中，基于標準k-ε模型并采用以上理論分析，采用Fluent軟件的數(shù)值模擬結果發(fā)現(xiàn)，在散熱器傳熱中納米流體較其基礎液體換熱量更大，內(nèi)部湍動更強，溫度分布更均勻。 開發(fā)了具有高精度的納米流體傳熱性能測試系統(tǒng)，以典型板翅式車用機油冷卻器為傳熱對象，在水和防凍液在低溫大溫差(冷卻液90℃，機油120℃)和Al<,2>O<,3>-PG90納米流體及其基礎液體在高溫小溫差(冷卻液12

6、0℃、機油135℃)的工況下，測試了各種冷卻液的傳熱性能及阻力性能。結果表明體積份額在5.0％以上的納米流體能滿足機油冷卻器的傳熱需要，納米流體具有比水、防凍液及基礎液體更高的換熱系數(shù)，且體積份額越大其傳熱系數(shù)增幅越大；并擁有比水和防凍液有更高的沸點溫度和工作溫度；納米流體在散熱器中的流動在Re<1000時就已經(jīng)達到紊流狀態(tài)，納米流體具有基礎液體顯示出更強的傳熱性能。納米流體的傳熱系數(shù)相對基液的增幅比導熱系數(shù)相對基液的增幅大，說明關于納

7、米流體傳熱機制的分析是正確的。納米流體的傳熱性能較常規(guī)冷卻介質(zhì)有大幅提高，本文所使用的高沸點、高導熱系數(shù)的有機型納米流體，在車輛冷卻系統(tǒng)中能形成較大的冷熱流體(冷流體為環(huán)境空氣)溫差，有利于提高整個冷卻系統(tǒng)的散熱效率；并且由于基礎液體是有機型的，預計具有較好的防腐、防凍和環(huán)保的功能，對車輛冷卻系統(tǒng)具有重要意義，有利于開發(fā)新型的車用冷卻液產(chǎn)品。本文的研究工作對新型高緊湊、高效率的散熱器及高效、高沸點冷卻介質(zhì)的設計有指導性的作用，可以預計納