車用散熱器中納米流體高溫傳熱基礎(chǔ)問(wèn)題研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷的散熱要求，有必要開(kāi)發(fā)新型高效傳熱的冷卻液。納米流體技術(shù)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(qiáng)化傳熱領(lǐng)域帶來(lái)了新的研究方向。 本文研制了300余種納米流體的配方，對(duì)其懸浮穩(wěn)定性、導(dǎo)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(yàn)研究，并分析推導(dǎo)了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。從眾多配方中篩選了具有高沸點(diǎn)、高導(dǎo)熱系數(shù)的有機(jī)型納米流體，并與

2、常規(guī)冷卻液進(jìn)行了基于車用散熱器的高溫小溫差傳熱對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)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(guò)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(yàn)表明，納米粒子、基礎(chǔ)液體、分散劑特性及超聲振動(dòng)等都關(guān)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(chǔ)液體粘度大的納米流體懸浮穩(wěn)定性相對(duì)較好。采用自行設(shè)計(jì)的瞬態(tài)熱線法裝置測(cè)試了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果顯示納米流體相對(duì)基礎(chǔ)液體導(dǎo)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(dǎo)熱增強(qiáng)機(jī)理，考慮了納米粒子的小尺寸效應(yīng)、納米粒子的聚集、固液微界面和微對(duì)流，在H-C模型的基礎(chǔ)上提出了低濃度納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)修正預(yù)測(cè)模型。采用自行設(shè)計(jì)的比較量熱法裝置測(cè)試了納米流體的比熱容，結(jié)果顯示納米流體比熱容比基礎(chǔ)液體小，納米粒子的體積份額越大則納米流體比熱容越??；分析了納米流體比熱容的增量來(lái)源于納米粒子的小尺寸效應(yīng)，推導(dǎo)了適合低濃度納米流體比熱容的預(yù)

4、測(cè)模型。采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試了納米流體的動(dòng)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(guān)系；在Einstein混合物粘度公式的基礎(chǔ)上考慮了粒子聚集的影響，推導(dǎo)了低濃度納米流體粘度預(yù)測(cè)公式。 納米流體的傳熱強(qiáng)化機(jī)制有靜態(tài)機(jī)制和動(dòng)態(tài)機(jī)制兩個(gè)方面。靜態(tài)機(jī)制來(lái)自于納米流體導(dǎo)熱性能的優(yōu)化，動(dòng)態(tài)機(jī)制來(lái)自于納米流體系統(tǒng)中粒子的布朗運(yùn)動(dòng)引起的熱擴(kuò)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(qiáng)的重要因素。將納米流體應(yīng)用到某型號(hào)的車用機(jī)油冷卻器中，基于標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，在散熱器傳熱中納米流體較其基礎(chǔ)液體換熱量更大，內(nèi)部湍動(dòng)更強(qiáng)，溫度分布更均勻。 開(kāi)發(fā)了具有高精度的納米流體傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)，以典型板翅式車用機(jī)油冷卻器為傳熱對(duì)象，在水和防凍液在低溫大溫差(冷卻液90℃，機(jī)油120℃)和Al<,2>O<,3>-PG90納米流體及其基礎(chǔ)液體在高溫小溫差(冷卻液12

6、0℃、機(jī)油135℃)的工況下，測(cè)試了各種冷卻液的傳熱性能及阻力性能。結(jié)果表明體積份額在5.0％以上的納米流體能滿足機(jī)油冷卻器的傳熱需要，納米流體具有比水、防凍液及基礎(chǔ)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(diǎn)溫度和工作溫度；納米流體在散熱器中的流動(dòng)在Re<1000時(shí)就已經(jīng)達(dá)到紊流狀態(tài)，納米流體具有基礎(chǔ)液體顯示出更強(qiáng)的傳熱性能。納米流體的傳熱系數(shù)相對(duì)基液的增幅比導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)基液的增幅大，說(shuō)明關(guān)于納

7、米流體傳熱機(jī)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(diǎn)、高導(dǎo)熱系數(shù)的有機(jī)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(gè)冷卻系統(tǒng)的散熱效率；并且由于基礎(chǔ)液體是有機(jī)型的，預(yù)計(jì)具有較好的防腐、防凍和環(huán)保的功能，對(duì)車輛冷卻系統(tǒng)具有重要意義，有利于開(kāi)發(fā)新型的車用冷卻液產(chǎn)品。本文的研究工作對(duì)新型高緊湊、高效率的散熱器及高效、高沸點(diǎn)冷卻介質(zhì)的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)性的作用，可以預(yù)計(jì)納