基于LBM的納米流體自然對流和沸騰換熱特性研究.pdf

1、納米流體作為一種新型的傳熱介質(zhì),由于自身具有較高的導(dǎo)熱系數(shù),可應(yīng)用于傳熱領(lǐng)域,逐漸展現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的市場應(yīng)用前景。但是有關(guān)納米流體自然對流和沸騰換熱特性的研究較少,并且一些研究者們研究了納米顆粒份額很大和很小時(shí)的自然對流和沸騰換熱特性,得出結(jié)論:在很大份額時(shí),納米流體起到了弱化換熱的作用,在很小份額時(shí)納米流體強(qiáng)化了基液的自然對流或沸騰換熱。鑒于此,在強(qiáng)化與弱化之間,需要對納米流體的自然對流和沸騰換熱進(jìn)行進(jìn)一步的研究。本文采用基

2、于格子Boltzmann方法的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究兩種方法對納米流體的自然對流和沸騰換熱特性進(jìn)行了研究。
　　運(yùn)用所建立的單相格子Boltzmann模型對Al2O3-水納米流體在腔體內(nèi)的自然對流換熱進(jìn)行了模擬。研究了不同的納米顆粒體積分?jǐn)?shù)、不同的瑞利數(shù)、不同的腔體寬高比對Al2O3-水納米流體自然對流換熱特性的影響。結(jié)果顯示,對于體積分?jǐn)?shù)為0.01≤φ≤0.05的Al2O3-水納米流體而言,在方腔內(nèi)的自然對流換熱,隨著納米顆粒體積分

3、數(shù)的增加,納米流體起到了弱化換熱的作用,而在矩形方腔內(nèi),隨著納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加,納米流體起到了強(qiáng)化換熱的作用,并且腔體寬高比越小,強(qiáng)化換熱作用越明顯。
　　運(yùn)用建立的兩相格子Boltzmann模型分別對方腔內(nèi)和矩形腔內(nèi)的Al2O3-水納米流體的自然對流換熱特性進(jìn)行了模擬,分析了納米顆粒份額、瑞利數(shù)、腔體的寬高比對自然對流換熱特性的影響,研究了兩相之間作用力的大小以及納米顆粒在腔體內(nèi)的分布情況。結(jié)果顯示,對于左壁面加熱、右壁面冷

4、卻的方腔內(nèi)納米流體的自然對流,在較低的納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下納米流體起到了強(qiáng)化換熱的作用,而在較高的納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下納米流體起到了弱化換熱的作用;對于左壁面加熱、上壁面冷卻的方腔和下壁面加熱、左右兩壁面冷卻的矩形方腔內(nèi)的納米流體的自然對流,隨著納米顆粒份額的增大,納米流體均起到了強(qiáng)化換熱的作用;其中,外力(溫差驅(qū)動(dòng)力)的數(shù)量級(jí)最大,這對納米顆粒的分布起到了很重要的影響。
　　本文配制了不同份額的Al2O3-水納米流體,測量了其導(dǎo)熱系

5、數(shù)和流變特性,搭建了自然對流換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái),通過對比去離子水的努塞爾特?cái)?shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)水的努塞爾特?cái)?shù)的結(jié)果,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的可靠性。研究了Al2O3-水納米流體在方腔內(nèi)的自然對流特性,結(jié)果顯示,在較低的納米顆粒體積分?jǐn)?shù)下(φ<0.005),隨著納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大,納米流體起到了強(qiáng)化換熱的作用,反而在較高的納米顆粒體積分?jǐn)?shù)下(φ>0.005),隨著納米顆粒份額的增加,納米流體起到了弱化換熱的作用,和模擬的結(jié)果是一致的。
　　運(yùn)用

6、沸騰氣泡運(yùn)動(dòng)的格子Boltzmann模型,模擬對比了去離子水和TiO2-水納米流體沸騰氣泡的聚并,研究了氣泡界面厚度、氣泡界面之間的距離、遷移率、放置方式和表面張力對氣泡聚并的影響。結(jié)果顯示,當(dāng)氣泡界面之間的距離大于2.17倍的氣泡界面厚度時(shí),氣泡之間不會(huì)發(fā)生聚并,反之,則能發(fā)生聚并;遷移率越大,氣泡聚并的速度越快;放置方式不會(huì)對聚并速度產(chǎn)生影響,但是會(huì)影響聚并過程中氣泡的形狀;表面張力越小,氣泡聚并的速度越小,導(dǎo)致納米流體中的沸騰氣泡

7、尺寸小于去離子水中的沸騰氣泡尺寸。
　　搭建了沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)臺(tái)和沸騰換熱氣泡運(yùn)動(dòng)觀測實(shí)驗(yàn)臺(tái)。通過對比水的沸騰換熱系數(shù),驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的可靠性。研究了Al2O3-水納米流體的沸騰換熱特性,結(jié)果顯示,在較低的納米顆粒體積分?jǐn)?shù)下(φ<0.005),隨著納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大,納米流體起到了強(qiáng)化換熱的作用,反而在較高的納米顆粒體積分?jǐn)?shù)下(φ>0.005),隨著納米顆粒份額的增加,納米流體起到了弱化換熱的作用。通過沸騰換熱氣泡運(yùn)動(dòng)觀測的實(shí)驗(yàn)臺(tái)