电子器件、航天器、核能系统和动力装置等的散热性能是影响其可靠性和经济性的关键因素之一,如何在有限空间内实现高热流密度传热和各器件间温度均匀分布已成为各国研究者努力的方向。针对高热流密度条件下,传统单相液冷技术已无法满足器件冷却需求,并且多个器件间的温度分布也难以达到均匀,兼具流动性和磁性的功能型纳米流体——磁性纳米流体,在构建高效、低阻、紧凑的冷却系统,实现能量高效和可控传递领域极具发展潜力。关于磁场对磁性纳米流体对流换热的影响及调控机理的研究,可为推动铁磁流体在诸如强化传热、高热流密度电子器件热管理、大功率动力装置冷却等相关领域内的实际应用提供理论指导和实验依据。本文对Fe3O4-H2O磁性纳米流体对流换热与流-磁耦合协同机理进行了实验研究,分析了有、无磁场作用时,磁性纳米流体局部和平均对流换热系数、压降的变化,主要研究内容和结论如下:(1)水基Fe3O4磁性纳米流体的制备与表征。以油酸钠作为表面活性剂,并将溶液pH值调至9～10,采用化学共沉淀单步法制备了体积分数为0.3vol%、0.5vol%和1vol%的Fe3O4-H2O磁性纳米流体,其平均粒径为10～30nm,Zeta电位绝对值约为33.8mV,静置可稳定2个月以上。(2)设计并搭建了垂直磁场作用下Fe3O4-H2O磁性纳米流体对流换热实验系统,对无磁场作用时磁性纳米流体的层流对流换热和流动阻力特性进行了研究,发现添加磁性纳米颗粒能显著提升基液的对流换热能力,但同时也会引起压降的增加。与去离子水相比,Fe3O4-H2O磁性纳米流体的平均对流换热系数最大可提高4.34%,而其压降最大增加了 6.3 1%。在无磁场作用时磁性纳米流体的强化传热率最大为1.043,但其能量比率均小于1。(3)对磁场作用下Fe304-H2O磁性纳米流体的层流对流换热特性进行了研究,分析了磁铁位置、磁场强度、体积分数及加热功率等因素的影响,实验结果表明:垂直恒定磁场会进一步强化磁性纳米流体的对流换热性能,且在较高磁场强度、体积分数和加热功率时,磁场强化传热效果更为显著。在磁场作用下,Fe3O4-H2O磁性纳米流体的平均对流换热系数最大可提升10.76%。虽然压降随磁场强度和体积分数的增加也呈现出了增大的趋势,但其增加速率较为缓慢,最大可增加9.51%。在磁场作用下,Fe3O4-H20磁性纳米流体强化传热率的最大值为1.11,能量比率最大可达1.047,综合性能相对较好。(4)在流-磁耦合作用下,Fe3O4-H2O磁性纳米流体对流换热系数所发生的变化,主要取决于纳米流体的导热系数、粘度、边界层厚度及链状结构等的综合作用。磁场会加剧磁性纳米颗粒的迁移运动,增加边界层内扰动,减小边界层厚度,使纳米颗粒与磁性纳米流体间的混合及热量传递更为充分,此外,还会促使磁性纳米颗粒沿磁场方向聚集形成链状结构,增大磁性纳米流体的导热系数,进而来强化传热。