纳米流体强化传热特性的理论及实验研究

论文摘要

纳米流体是指以一定的方式和比例,在液体介质中添加纳米级的金属或非金属粒子形成的一类新型传热工质。其在许多领域,如能源、化工、电力、微电子等,具有诱人的应用前景。本文从ZrO2/水、CaCO3/水纳米流体的制备及其稳定性、输运参数、管内流动与传热特性的实验研究与数值模拟等几个方面研究了纳米流体强化传热的机理和性能,为后续应用奠定了基础。采用两步法制备了不同百分比浓度的ZrO2/水、CaCO3/水纳米流体,并采用添加分散剂、超声振动和调节pH值等方法,制备得到悬浮稳定的纳米流体。同时分析了纳米流体的稳定性不仅与纳米粒子和基液的性质有关,还与纳米颗粒间的相互作用力有着密切的联系。采用落球粘度计测量了不同配比的ZrO2/水、CaCO3/水纳米流体的粘度,并将实验测量结果与固液悬浮液传统公式进行比较。实验结果表明,纳米粒子的加入改变了纳米流体的粘度,纳米粒子的种类、尺度、形状以及体积份额都是影响纳米流体粘度的因素。并从布朗运动与微对流、固液界面的液膜层以及颗粒团聚三个方面,分析了纳米流体强化导热性能的机理。测试了不同粒子浓度的ZrO2/水、CaCO3/水纳米流体在Re=300017000范围内的对流换热系数。实验结果表明,在液体中添加纳米粒子增大了液体的管内对流换热系数,增加了液体的传热效果。同时,粒子浓度、粒子种类、流体的流动状态是影响纳米流体强化对流换热的重要因素。本文采用两相流混合模型模拟了纳米流体管内流动与换热情况。从温度场、速度场、湍流强度以及Nu等方面分析了纳米流体管内强化传热的规律。由模拟结果可看出,在实验管道的入口处纳米流体的对流换系数提高地较为明显。并从颗粒浓度、颗粒粒径和颗粒运动三方面,对纳米流体强化对流换热机理进行了探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 引言
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 纳米流体的应用领域
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 纳米流体的制备
• 1.3.2 导热性能研究
• 1.3.3 流动与对流换热研究
• 1.3.4 传热机理研究
• 1.4 课题的提出及本文主要任务
• 1.4.1 现阶段存在问题
• 1.4.2 本文主要任务
• 2 纳米流体制备与悬浮稳定性分析
• 引言
• 2.1 纳米流体的制备方法
• 2 纳米粉体的制备'>2.1.1 ZrO₂纳米粉体的制备
• 2/水纳米流体的制备'>2.1.2 ZrO₂/水纳米流体的制备
• 3 颗粒的制备'>2.1.3 纳米CaCO₃颗粒的制备
• 3/水纳米流体的制备'>2.1.4 CaCO₃/水纳米流体的制备
• 2.2 纳米流体悬浮稳定性的分析
• 2.3 纳米碳酸钙、氧化锆的应用前景
• 2.3.1 纳米碳酸钙的应用
• 2.3.2 纳米氧化锆的应用
• 2.4 本章小结
• 3 纳米流体输运参数研究
• 引言
• 3.1 粘度测量
• 3.1.1 实验设备及原理
• 3.1.2 实验结果与分析
• 3.1.3 纳米流体粘度分析
• 3.2 导热性能研究
• 3.2.1 纳米流体强化导热性能机理分析
• 3.2.2 固液混合体系导热系数模型
• 3.2.3 纳米流体导热系数估算
• 3.3 其他参数计算方法
• 3.4 本章小结
• 4 纳米流体换热能力实验研究
• 引言
• 4.1 实验原理
• 4.2 实验系统与设备
• 4.3 对流换热装置精度校验
• 4.4 实验数据处理方法
• 4.5 对流换热实验结果及分析
• 4.5.1 对流换热实验结果
• 4.5.2 结果分析
• 4.6 本章小结
• 5 管内流动与传热特性数值模拟
• 5.1 多相流体强化对流与换热的数值解法
• 5.1.1 计算流体动力学概述
• 5.1.2 FLUENT 软件介绍
• 5.1.3 颗粒流体模型
• 5.2 管内纳米流体强化对流换热的数值模拟
• 5.2.1 几何模型
• 5.2.2 数学模型
• 5.2.3 FLUENT 数值模拟过程
• 5.3 数值计算结果与分析
• 5.4 纳米流体强化传热理论分析
• 5.5 本章小结
• 总结与展望
• 一、总结
• 二、展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文