電場強化納米流體換熱特性的實驗與數(shù)值模擬研究.pdf

1、工質(zhì)的流動換熱常見于各行各業(yè)，如動力機械、冶金工程、石油化工等領(lǐng)域，在這些行業(yè)內(nèi)，換熱過程都有著很重要的作用。因此提高工質(zhì)換熱性能和研究新的主動強化換熱技術(shù)是兩個重要的發(fā)展方向。其中納米流體和電場強化工質(zhì)換熱技術(shù)是最具有潛力的領(lǐng)域之一。本文圍繞納米流體換熱特性研究及電場主動強化換熱，并將兩種換熱技術(shù)結(jié)合起來，開展了以下實驗和數(shù)值模擬研究。
　　采用不同多相流模型模擬了納米流體強制對流換熱特性與自然對流換熱特性，其多相流模型包括混合

2、模型和歐拉模型，研究了濃度、雷諾數(shù)、瑞利數(shù)等對努塞爾數(shù)和阻力系數(shù)的影響。研究表明多相流模型對納米流體換熱特性有較好的適用性，特別是濃度高的納米流體換熱，且從宏觀角度表明一般常規(guī)納米流體并沒有表現(xiàn)出很強的納米特性。
　　采用兩步法，制備了不同濃度的Al2O3-變壓器油納米流體以及納米懸浮液。觀測了納米顆粒的尺寸與形貌特征，測定了納米顆粒在基液中的粒徑分布和 Zeta電勢，測定了其比熱和粘度。此外，運用瞬態(tài)熱線法，設(shè)計和搭建了電場下等

3、效導(dǎo)熱系數(shù)測試裝置，基于此測量了不同電場、溫度、濃度和粒徑等條件下納米流體等效導(dǎo)熱系數(shù)相對純工質(zhì)的強化值。在常規(guī)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)電介質(zhì)等相關(guān)理論，建立了電場下納米流體等效導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，并將計算值與實驗值進行了對比。實驗結(jié)果表明，電場對納米流體等效導(dǎo)熱系數(shù)有強化效果，并隨電場、溫度和濃度的增大而強化效果增強。模型的計算對比結(jié)果表明本文提出的預(yù)測模型能較好的預(yù)示電場下納米流體等效導(dǎo)熱系數(shù)。
　　設(shè)計和搭建了

4、電場作用下納米流體在方腔內(nèi)換熱實驗裝置，研究了電極形式、電場強弱、濃度、熱流密度等因素對變壓器油和納米流體電對流與混合對流換熱特性的影響，并且研究了電場強弱、濃度以及熱流密度對納米懸浮液混合對流換熱特性的影響。實驗結(jié)果表明，電場下純變壓器油方腔內(nèi)電對流換熱有較好強化效果，隨電壓增大而增強。但電場對純變壓器油混合對流換熱有惡化作用，隨電壓增大而惡化減弱，直至微弱強化。電場對納米流體方腔內(nèi)電對流和混合對流都有強化效果，且隨電場強弱、濃度和熱

5、流的增大而增強。納米懸浮液電場下?lián)Q熱也類似納米流體表現(xiàn)，但存在最佳強化效果濃度。
　　采用格子玻爾茲曼方法研究電場下純變壓器油方腔內(nèi)換熱特性及機理，建立了電場、流場及溫度場耦合的物理和數(shù)學(xué)模型。此外，運用電場下納米流體等效導(dǎo)熱系數(shù)模型來進一步研究該模型對電場納米流體換熱預(yù)示作用適應(yīng)性。數(shù)值研究了電場下方腔內(nèi)混合對流和電對流換熱特性的影響，其工質(zhì)包括純變壓器油、納米流體?？疾炝穗妷?、熱流密度、濃度等對電場強化換熱因子的影響，對比了模

6、擬值與實驗值。分析了作用于基液的電場力中電泳力、介電電泳力和電致收縮力對方腔內(nèi)換熱影響的相對大小，并比較了作用于納米顆粒的電泳力和介電電泳力的相對大小。另外，從納米顆粒微觀運動層面，研究了納米顆粒電場作用下在基液中的動力學(xué)特性，討論了電場強弱、粒徑、Zeta電勢、溫度對納米顆粒在基液中運動的影響。模擬和計算結(jié)果表明，電場、流場和溫度場耦合模型能較好模擬電場下純工質(zhì)電對流和混合對流換熱特性?；旌蠈α飨?，電場破壞了自然對流循環(huán)機制，使得惡化