微通道内纳米流体流动与传热特性的数值模拟

论文摘要

作为当代高新技术发展重要领域之一,纳米技术已呈现出向航天、微电子、微机电和生物工程等领域全面渗透的态势。随着纳米技术迅速发展,一些学者开始尝试用纳米颗粒材料强化对流换热,给强化传热技术带来了蓬勃生机。但此项研究工作尚处于起步阶段,尤其是微通道内纳米颗粒悬浮液流动与对流换热规律的研究,目前报道较少。鉴于纳米技术表现出的强大生命力和在热科学领域中潜在的广阔应用前景,本文对微矩形通道内水以及铜-水纳米流体流动及换热特性,进行了数值模拟研究。并将纳米流体的计算结果与水的计算结果进行了对比。模拟微矩形通道的当量直径为92.3μm;纳米流体中铜纳米颗粒的体积分数分别为0.005、0.01、0.02和0.03,铜纳米颗粒平均粒径为100nm。由于微尺度结构的尺寸效应导致微通道中的热和流体行为严重偏离传统流动和传热理论所描述的规律,且仿真软件基于传统理论,微尺度理论中的分子动力学和Boltzmann输运理论计算量庞大,因此在工程实际应用中,微尺度结构下的分析并不能通过数值仿真计算直接给出。针对这种情况,本文采用“粘度修正”的方法,即对于宏观尺度的粘度系数在微尺度情况下进行修正,从而能够在商品化软件中对微尺度结构进行分析。流动特性的模拟结果表明:在相同的雷诺数下,纳米流体的流动压降高于纯水的,并且随着纳米流体中,纳米颗粒体积份额的增加而增加。微通道内纳米流体的速度分布和工质水的速度分布类似,符合湍流状态的流动特征。但是,纳米流体的在流动主流区的速度值小于工质水在主流区的速度值。换热特性的模拟结果表明:微通道内随着纳米颗粒的加入,流体的换热性能得到明显的提高。纳米流体中纳米颗粒的体积分数是影响流动换热系数的重要因素。相同条件下,颗粒的体积分数越大,流体的换热系数越大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 综述
• 1.2.2 微通道内单相流体的流动和换热
• 1.2.3 纳米流体的研究进展
• 1.3 本章小结及本文主要内容
• 第2章 理论模型与计算方法
• 2.1 微尺度理论简介
• 2.2 理论模型
• 2.2.1 连续介质假设
• 2.2.2 控制方程
• 2.2.3 湍流模型
• 2.2.4 混合模型
• 2.3 有限体积法基本思想
• 2.4 本章小结
• 第3章 流动阻力特性结果与分析
• 3.1 物理模型与计算网格
• 3.2 系数修正
• 3.3 微通道内水的流动与阻力特性
• 3.4 微通道内纳米流体的流动与阻力特性
• 3.4.1 纳米流体流动阻力特性的计算
• 3.4.2 微通道内纳米流体与水流动阻力特性的对比
• 3.5 微通道内纳米流体阻力特性与实验结果的对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 传热特性结果与分析
• 4.1 微通道内水的传热特性
• 4.2 微通道内纳米流体的传热特性
• 4.3 微通道内纳米流体传热特性与实验结果的对比
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢