纳米流体强化气液传质研究

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纳米流体具有导热系数高、均匀、稳定的特点,使其成为强化传热研究热点。本文借鉴纳米流体用于强化传热方面的研究成果,通过对传热与传质机理之间共性与差异性的比较,对纳米流体气液传质的增强作用进行实验研究与理论分析。本文利用两步法制备了各种稳定的纳米流体,并采用沉降实验和扫描电镜(SEM)测定手段对纳米流体的悬浮稳定性和分散进行了分析。结果表明,制备得到的纳米流体具有良好的稳定和分散性能。在配制出稳定纳米流体的基础上,对其粘度和表面张力性质进行了研究。实验研究表明,纳米流体在低浓度下为牛顿型流体,粘度受纳米粒子体积含量影响最大,二者呈正比关系,颗粒粒径和温度也是重要影响因素。表面张力相对于基液变化不大,只是随着粒子体积含量的增加略有减小。设计并建立了一套纳米流体强化气体吸收试验装置,从气体泡状吸收质量传递过程的角度,探讨了纳米颗粒的加入对吸收过程的强化作用。气体吸收速率随着纳米流体中粒子体积含量的增加而增大,并且在吸收达到平衡时,液相中气含量会有略微上升。纳米颗粒的加入引发了基液内部的微对流,提高了基液的扩散性能,引入了传输效应,阻碍了气泡的聚并,增加了CO2在流体中的气含率,进而强化了CO2在纳米流体中的吸收速率。建立了一套水平气液界面传质模拟装置,利用粒子成像测速仪(PIV)对纳米流体-CO2体系解析传质过程的液相内部微对流现象进行了定量分析。纳米流体微对流发生在液相主体中,随着粒子体积含量的增加而加剧,对流形状一般为滚筒状。气体的解析速度和涡量相对基液明显增加,纳米流体表现出较高的解析潜力。最后利用格子Boltzmann方法对纳米流体的流场情况进行了模拟,纳米粒子的加入,明显增大了流场的湍动强度,有利于能量和质量的传输。
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