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纳米流体强化传热的实验和数值模拟研究

作　者: 张邵波
导　师: 骆仲泱；倪明江；高翔
学　校: 浙江大学
专　业: 工程热物理
关键词: 纳米流体导热粘度对流换热系数 lattice Boltzmann method
分类号: TK124
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文围绕纳米流体对流换热特性展开,结合纳米流体导热及粘度的实验和理论分析,探讨影响纳米流体对流换热特性的主要因素。同时基于格子Boltzmann方法,从介观角度揭示纳米流体强化传热的实质,并为实验结果及理论分析寻求依据。实验对CuO、SiO2、Al2O3水基纳米流体导热、粘度和对流换热特性进行了测试。测试了在不同粒径尺度、不同颗粒材料,在不同体积浓度条件下纳米流体导热系数的变化,实验结果表明,纳米流体导热系数随体积浓度的增大而增加；随颗粒粒径的减小而增大；纳米流体导热系数与颗粒材料导热系数成正比。通过纳米流体的导热系数的机理分析,得出影响纳米流体导热系数的两个重要因素：固液界面膜效应以及团聚体分布。通过对粘度的实验分析可知,低浓度纳米流体还属于理想牛顿流体范畴,悬浮液的粘度与体积浓度基本呈线性关系；纳米颗粒粒径对悬浮液粘度的影响非常显著,粒径越小,粘度增加越大。在本文的实验中,对于7nm SiO2纳米流体,在体积浓度为2%的条件下,与纯水相比,粘度增加了近一倍还多；pH值对纳米流体粘度的影响具有特殊意义,其对颗粒粒径小于20nm的纳米流体粘度影响较为显著,而对于粒径大于20nm的悬浮液粘度影响并不明显。并且不同粒径的粘度对pH值响应范围是不同的,而且随着粒径的增大,粘度峰值出现碱性偏移的现象。在纳米流体对流换热特性试验研究中,在相同Re条件下,与去离子水相比,不同材料纳米流体对流换热系数都有显著提高,且对流换热系数随颗粒体积浓度的增加而增大。随导热系数的增大而增加。对于同种材料不同粒径纳米流体对流换热系数的对比,我们发现,SiO2、Al2O3水基纳米流体对流换热系数随颗粒粒径的减小而增加；而在CuO-水纳米流体对流换热实验中,在湍流段对流换热系数是随着粒径的增加而增大。分析其原因在于,在湍流范围内,由于SiO2纳米流体具有较高粘度,其惯性力也就越大,对热边界层的破坏能力越强,因此,7nmSiO2纳米流体对流换热系数仍然高于40nmSiO2纳米流体。而对于CuO-水纳米流体,由于其粘度变化并不明显,且小尺寸粒径纳米流体导热优势被湍流效应所取代,而尺寸较大的CuO颗粒或团聚体出现在边界附近几率明显较大,进而降低了热边界层,因此,宏观体现为对流换热系数随颗粒粒径的增加而增大。通过多组分LBM模型,引入了纳米粒子在液体中所受到的重力、浮力、相间阻力、粒子间的范德华引力以及布朗力。模拟了纳米流体管内流动与换热特性。在低Re条件下,从介观角度直观的揭示了颗粒布朗运动对换热特性的影响。从模拟结果可以看出,纳米粒子由于布朗运动的存在,与纯水温度分布相比,管内纳米流体温度分布并不均匀；CuO-水纳米流体对流换热系数随颗粒体积浓度的增加而增大,随粒径的增大而减小,与纯水相比,体积浓度为0.3%的纳米流体平均对流换热系数增大了5%左右,而体积浓度为0.5%和0.8%的纳米流体平均对流换热系数分别增加了11%,21%。同时,本文模拟了Re=800,1000,1200,1400四种条件下,三种粒径CuO-水纳米流体对流换热系数,与前期CuO-水纳米流体对流换热系数实验结果进行了对比,模拟结果与实验结果基本吻合,模拟结果与实验结果误差在5%以内,结果的对比也证明了格子Boltzmann SC模型的可行性与有效性,能够成功的模拟纳米流体的流动与换热特性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-12
第一章绪论  12-30
  1.1 纳米流体的研究背景及意义  13-14
  1.2 纳米流体及其热物性的国内外研究进展  14-27
    1.2.1 纳米流体的制备  14-16
    1.2.2 纳米流体导热系数的研究  16-19
    1.2.3 纳米流体流动及对流换热的研究  19-27
  1.3 格子Boltzmann方法  27-28
  1.4 本文的研究内容及结构体系  28-30
第二章纳米流体导热的实验和机理研究  30-48
  2.1 纳米材料的制备  30-33
  2.2 纳米流体导热系数的实验研究  33-38
    2.2.1 液体导热系数的测量  33-34
    2.2.2 简易热线法导热系数测量  34-35
    2.2.3 纳米流体导热系数测量结果  35-38
  2.3 纳米流体导热系数的理论研究  38-46
    2.3.1 传统导热系数模型  38-40
    2.3.2 纳米流体导热系数模型  40-42
    2.3.3 模型的验证及影响因素分析  42-46
  2.4 本章小结  46-48
第三章纳米流体粘度的实验和机理研究  48-64
  3.1 低浓度悬浮液粘度理论  48-51
    3.1.1 液体粘度的基本定义  50
    3.1.2 低浓度悬浮液粘度表达式  50-51
  3.2 纳米流体粘度的实验结果及讨论  51-59
    3.2.1 体积浓度、粒径对粘度的影响  52-54
    3.2.2 pH值对粘度的影响实验  54-59
  3.3 实验结果分析  59-62
  3.4 本章小结  62-64
第四章纳米流体对流换热的实验研究  64-92
  4.1 实验材料  64-65
  4.2 实验系统及数据处理  65-68
    4.2.1 实验系统  65-66
    4.2.2 数据处理  66-68
  4.3 对流换热实验结果  68-81
    4.3.1 实验系统校验  68-69
    4.3.2 层流区纳米流体对流换热实验结果及分析  69-75
    4.3.3 湍流区纳米流体对流换热实验结果及分析  75-81
  4.4 对流换热机理分析  81-89
    4.4.1 纳米流体导热系数的影响  81-82
    4.4.2 纳米流体粘度的影响  82-87
    4.4.3 纳米颗粒粒径的影响  87-89
  4.5 本章小结  89-92
第五章纳米流体格子Boltzmann方法  92-120
  5.1 格子Boltzmann方法  92-103
    5.1.1 从格子气自动机到格子Boltzmann方法  93-95
    5.1.2 从连续Boltzmann方程到格子Boltzmann方程  95-98
    5.1.3 格子Boltzmann方法的基本模型  98-100
    5.1.4 边界条件  100-103
  5.2 纳米流体的格子Boltzmann模型  103-104
  5.3 纳米流体的热格子Boltzmann模型  104-105
  5.4 纳米流体的动力学特性  105-108
    5.4.1 重力和浮力  106
    5.4.2 曳力  106
    5.4.3 布朗力  106-107
    5.4.4 粒子间势能  107-108
  5.5 纳米流体流动与传热的数值模拟  108-116
    5.5.1 物理模型  108-109
    5.5.2 数值模拟结果  109-116
  5.6 纳米流体格子Boltzmann模拟验证  116-117
  5.7 本章小结  117-120
第六章全文总结与展望  120-126
  6.1 主要研究成果  120-123
  6.2 本文主要创新点  123-124
  6.3 未来研究工作展望  124-126
参考文献  126-136
攻读博士期间发表论文  136-138
致谢  138

纳米流体强化传热的实验和数值模拟研究

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