纳米流体在复合强化传热技术中的流动与换热特性研究

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强化传热技术的发展对提高能源利用效率起着至关重要的推动作用,而纳米流体作为一种新型高效的换热介质被广泛的应用到强化传热技术中去。根据目前纳米流体强化传热技术研究中存在的纳米颗粒的团聚和沉淀问题,结合L型流道中混沌对流的扩散特性以及磁场力的扰动作用,将纳米流体强化传热技术分别与混沌对流以及磁场相结合,对纳米流体在复合强化传热技术中的流动与换热特性进行了研究。此外,选择合适的物理模型对纳米流体进行数值仿真至关重要,单相模型将纳米流体视为性质一致的连续介质,因其计算快捷方便被广泛使用。而在两相模型中,欧拉-拉格朗日模型虽然占用大量的计算时间和空间,但最能精确反映出颗粒与流体的相间作用效果。因此本文使用了单相和欧拉-拉格朗日两种模型对纳米流体在层流强制对流状态下的流动与传热特性进行了讨论分析,研究内容及结论如下:(1)L型流道由于其特殊的几何结构,使得流体在层流状态下表现出湍流的运动特征,为了验证L型流道中流体流动数值计算结果的正确性,搭建了L型流道的流体流动实验平台,利用激光多普勒测速系统测量既定特殊位置点的速度,与数值计算结果对比发现:当雷诺数Re=100、200和300时,最大误差分别为17.4%、17.1%和13.0%,在工程允许的误差范围内,可以验证数值模拟结果的正确性。(2)在L型流道中,无论使用单相模型还是欧拉-拉格朗日模型进行数值计算,换热系数、压降与综合换热性能均随着雷诺数及纳米流体浓度的增加而增大,但欧拉-拉格朗日模型的计算结果略高。对于不同种类的纳米流体,纳米颗粒的基本物性参数不同,是使得流动与传热特性存在差异的根本原因。对于同一种纳米流体不同粒径的情况,粒径越小,换热系数和压降越大。(3)对恒定磁场调控下纳米流体的层流强制对流换热进行了数值模拟分析。首次将数字高程模型(DEM)应用到梯度磁场模型的建立,分析了磁场梯度大小和方向对换热效果的影响。利用正交试验设计的方法研究了雷诺数、磁场强度、磁场梯度和磁纳米流体浓度对换热效果影响的权重大小,并得到各变量取值范围内的最佳组合。除此之外,合理布置多个磁场源的作用位置更有利于提高热量的传递效率。(4)对交变磁场调控下纳米流体的层流强制对流换热进行了数值模拟分析。分析了磁场波形及频率对换热效率的影响,并且相对于恒定磁场,在相同雷诺数及磁场强度下使用交变磁场计算得到的平均努塞尔数更高。
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