管壳式换热器热-磁-流耦合强化换热数值分析

采用Fe₃O₄/水磁性纳米流体和磁场改善管壳式换热器壳程的对流换热性能。通过三维数值模拟，分析了磁性纳米流体体积分数、流率和磁感应强度对管壳式换热器对流换热性能的影响。结果表明，换热器的传热率和强化效应会因为纳米粒子的导热系数和布朗运动而得到提高，但当体积分数大于1%时，提升幅度会逐渐减小并且效能评价系数会降低。相比其他性能强化技术，磁场对磁性纳米流体的作用可以使换热器在压降增加不大的情况下显著提高换热性能；与没有施加磁性纳米流体和磁场的情况相比，磁场下加入了Fe₃O₄/水磁性纳米流体的管壳式换热器的传热率提升最高可达68.2%，而压降只增加了13.8%，与施加了磁性纳米流体而没有施加磁场的情况相比，其传热率的提升最高可达46.7%，而压降只增加了1.96%。磁性纳米粒子本身具有的高导热性质和其布朗运动效应以及磁性纳米流体在垂直均匀磁场的作用下带动壳程流体形成的由内向外的旋流，加剧了对热边界层的扰动和冷热流体的混合，是对流换热性能增强的主要原因，且磁感应强度越大，流体流率越低，磁场对流体综合传热性能...     

磁纳米流体对微细通道饱和沸腾CHF特性的影响

以去离子水和w(Fe_3O_4)=0.5%的磁纳米流体为实验工质,在3种不同尺寸的矩形微细通道内进行饱和流动沸腾传热实验,研究了流动沸腾传热过程中质量流速、有无磁场作用下的磁纳米流体对CHF特性的影响.结果表明:去离子水和0.5%的磁纳米流体的CHF值均随质量流速的增大而增大,且质量流速较小时,CHF值增幅较明显;无外加磁场时,0.5%的磁纳米流体的CHF值相比去离子水可提高71%~157%;0.5%的磁纳米流体的CHF值随着磁场强度的增加而增大,增加幅度约为4%~17.4%;将实验值与Kosar模型预测值进行对比,发现工质为去离子水和0.5%的磁纳米流体时平均绝对误差分别为25%、30%,而对Kosar模型进行修正后,平均相对误差均小于15%,实验结果预测性明显提高.     

纳米颗粒球形度对平板通道中Al2O3-水纳米流体强制对流换热的影响

数值研究了水中添加立方体形、球形或柱状Al₂O₃纳米颗粒的纳米流体在平板通道中的层流强制对流换热,分析了纳米颗粒球形度、纳米颗粒体积分数和雷诺数对平板通道中Al₂O₃-水纳米流体强制对流换热的影响. 结果表明:当纳米颗粒体积分数和雷诺数一定时,随着纳米颗粒球形度减小,通道壁面平均努赛尔数增大,对流换热增强;当纳米颗粒球形度一定时,随着纳米颗粒体积分数和雷诺数的增大,通道壁面平均努赛尔数增大,对流换热增强.     

纳米颗粒悬浮液池内泡状沸腾机理

研究了添加不同性质、不同体积浓度的纳米颗粒后对液体池内泡状沸腾换热的影响和相应的物理机制,并对3种不同体积浓度的Fe及A l2O3纳米流体进行了池内沸腾的实验研究.分析表明:纳米颗粒的加入,将增加液体的有效导热系数和粘度,降低基液的表面张力;另一方面,由于部分纳米颗粒会在加热表面形成沉积,改变了加热表面活化凹坑的尺度及分布,从而对成核和气泡成长过程产生影响.因此,纳米流体池内泡状沸腾传热强化与否,是多种因素综合作用的结果.实验结果证实了上述分析.根据“对流汽化”模型给出了去离子水与体积分数为2?纳米流体沸腾换热关系式,与实验值符合较好.     

纳米流体强化换热特性的LBM模拟

采用LBM模拟了封闭方腔内不同体积分数、不同浮升力参数下纳米流体自然对流时速度场与温度场的分布,得出了纳米流体换热强度随各参数的变化情况.结果表明,当Ra较小时换热表现为导热占主导,随着Ra增大,换热表现为对流占主导,两者的换热都会随着纳米颗粒体积分数的增加而增强,且纳米颗粒体积分数在壁面附近对温度分布的影响比在中心区域的明显;在不同Ra下,纳米粒子体积分数增加所引起的X和Y方向速度峰值增大的幅度不同,Ra较大时,随纳米粒子体积分数的增加,X和Y方向的速度峰值大幅增加.     

魔芋葡甘聚糖/纳米四氧化三铁复合溶胶的流变性能

为了研究魔芋葡甘聚糖/纳米Fe_3O_4_静电纺丝膜,运用流变仪分析纳米Fe_3O_4对KGM溶胶流变性能的影响,以期为制备复合的纺丝液的浓度和配比提供了指导。结果表明:KGM/纳米Fe_3O_4复合溶胶是一种假塑性流体;复合溶胶的粘度、线性粘弹区域范畴、屈服应力值、模量等四个指标均与纳米Fe_3O_4掺杂比的掺杂比呈正比关系,从剪切性质分析其体系纳米Fe_3O_4质量浓度不应超过1.2%。通过频率扫描分析,纳米Fe_3O_4与KGM之间存在相互作用,随着纳米Fe_3O_4粒子含量的增加使得与KGM作用增加,从而使体系形成稳定网络结构,使复合溶胶的稳定性更高,因此将魔芋葡甘聚糖/纳米Fe_3O_4制备静电纺丝膜具有一定可行性。     

物性参数对纳米流体强化换热的影响

对铜-氩纳米流体在矩形槽通道内流动和换热情况进行了数值模拟,对基础流体和不同体积分数的纳米流体在不同Re下的换热情况进行研究,分析了纳米流体热物性的改变对强化换热的影响.研究表明:相对于基础流体而言纳米流体由于具有较好的导热性能而强化换热,并且纳米流体体积分数越大,其导热性能越好,从而换热能力也越大.对于相同体积分数的纳米流体,其换热系数提高的程度与流体的速度有关系,流速越小,换热系数提高得越大,而随着流速的逐渐增大换热系数提高的程度逐渐下降.     

超顺磁纳米Fe3O4磁性流体的制备及其在交变磁场中的发热性能

采用两步法以油酸为表面活性剂对纳米Fe_3O_4磁性粒子进行表面修饰,制备出稳定的Fe_3O_4油基磁性流体。通过透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱(FT-IR)、振动样品磁强计(VSM)对油酸修饰后的纳米Fe_3O_4磁性粒子的形貌、结构与磁性能进行了表征。结果表明,在表面活性剂存在时,可以有效地减少纳米Fe_3O_4磁性粒子之间的团聚,同时使油基磁性流体具有良好的稳定性和发热性;纳米Fe_3O_4磁性粒子的饱和磁化强度为66.35 A·m2/kg,剩余磁化强度为0,具有超顺磁性;在外加交变磁场下,纳米Fe_3O_4油基磁性流体在20 min时,发热温度可达55.9℃。     

波壁管内Cu-醇基纳米流体的强化换热研究

随着科技的进步,热交换设备的热负荷与传热强度不断增大,传统的醇类冷却剂不足以满足换热设备的冷却要求,通过向传统醇类冷却剂中加入Cu纳米粒子从而形成Cu-醇基纳米流体。对Cu-乙醇、Cu-乙二醇、Cu-丙二醇三种Cu-醇基纳米流体在波壁管中的换热特性进行数值模拟研究,同时采用分子动力学计算了Cu-醇基纳米流体的导热系数,分析了雷诺数Re与纳米颗粒体积分数φ对纳米流体的换热特性的影响。结果表明,在相同条件下,纳米流体的导热系数比基液大,且随着φ的增加而增大,通过比较这三种Cu-醇基纳米流体的导热系数,发现Cu-丙二醇纳米流体的导热系数的增幅最大;同时发现纳米流体的对流换热系数与基液相比有所提高,且随着φ的增加而增大;Cu-醇基纳米流体在强化传热的同时也会产生更大的阻力损失,且该损失随着φ的增大而增大;用性能评价因子PEC对波壁管内流体的对流换热系数与摩擦阻力系数进行综合分析。发现在三种Cu-醇基纳米流体中,Cu-丙二醇纳米流体具有最好的综合换热性能。     

纳米流体微通道热沉的性能强化

基于对纳米流体热导率及黏度公式的筛选,本文发展了纳米流体微通道热沉的三维流固耦合模型,分析了热沉结构、纳米颗粒种类、粒径、体积分数及基液种类等关键参数对热沉性能的影响.结果表明:(1)纳米颗粒随机运动引起的附加热耗散强化了纳米流体的对流换热,显著提高了热沉的冷却性能;(2)纳米流体的强化作用依赖于热沉结构,且依赖关系不同于纯流体,需对纳米流体作为冷却剂的热沉结构进行优化;(3)颗粒体积分数增加,热沉热阻降低,但压降升高,综合考虑热阻和压降,最佳的冷却剂为0.5%体积分数的水基Al2O3纳米流体,相对于纯水,其使热阻降低了10.1%,压降仅增加0.38%;(4)颗粒粒径对热阻影响较小,考虑纳米流体稳定性,推荐使用小粒径的纳米颗粒;(5)Al2O3纳米颗粒优于TiO2,CuO最差,最优的基液为水,依次为乙二醇和机油.     

基于多相流模型的纳米流体在水平细圆管内强制对流换热数值模拟

运用2种多相流模型模拟了纳米流体在细圆管内的强制对流换热特性,并与已有文献的实验值和传统流体经验公式的计算值进行对比.其中,采用混合模型和欧拉模型分析了雷诺数、纳米颗粒体积分数等物理量对换热特性的影响.结果表明:在纳米颗粒体积分数较低时,模拟值与其实验值及经验公式的计算值相差不大;随着纳米颗粒体积分数增加,其非常规的流体特性逐渐突出,当纳米颗粒体积分数达到一定值时,常规的流体经验公式已不再适用,纳米流体换热呈现出一定的多相流特性,且多相流模型的模拟值更接近于其实验值,表明运用多相流模型能够模拟纳米流体的换热特性.     

磁性负载催化剂Pd/Fe_3O_4的制备及其在Sonogashira反应中的应用

利用浸渍法制备Pd/Fe_3O_4负载型磁性纳米催化剂并对其进行表征,研究Pd/Fe_3O_4在碘苯与苯乙炔的Sonogashira偶联反应中的催化性能.结果表明:在100℃、DMF为溶剂、K_2CO_3为碱源的反应条件下, Pd的负载量摩尔分数为13.7%时, Pd/Fe_3O_4的催化活性最高;其催化活性与负载的纳米Pd粒径有关, Pd粒径为3.56 nm时催化性能最佳;利用外磁场分离回收催化剂,循环使用5次后,其催化产率为75.3%,仍有较高的催化活性.     

热电制冷液冷服内纳米流体自然循环换热特性

对热电制冷液冷服内纳米流体自然循环的换热特性进行了实验研究.实验采用不同种类的、粒径在20~100 nm范围内的纳米流体,使其在填充有高孔隙率泡沫金属的换热器中被热电制冷元件降温,利用自然循环流动至与换热器连接的盘管中,在盘管中吸收热量,温度升高后再次进入换热器中冷却.将同样粒径和体积分数的Ti O2,Cu O,Cu等颗粒制成的纳米流体与去离子水在特定工况下进行对比实验,结果表明,采用纳米流体可显著增强循环的换热性能,其中Cu纳米流体的强化换热效果最好,制冷功率输出能力比同工况下的去离子水提升25%,系统最大制冷功率输出能力提升95%.针对不同尺寸和浓度的Ti O2纳米流体,研究了其粒径大小、体积分数等对循环过程的流动和换热产生的影响,结果表明,增大纳米颗粒的粒径和体积分数,在一定程度上可以增强其换热性能,但也会带来因团聚堆积增强而产生的堵塞和结冰等问题.     

含油金刚石纳米制冷剂的核态池沸腾换热特性

研究了含油金刚石纳米制冷剂（即由制冷剂R113、润滑油VG68和金刚石纳米颗粒组成的纳米流体）的核态池沸腾换热特性,分析了金刚石纳米颗粒对含油制冷剂核态池沸腾换热的影响.实验中饱和压力为101.3 kPa;热流密度为10~80 kW/m2;纳米油(纳米颗粒和润滑油的混合物)的质量分数为0~5%;在纳米油中金刚石纳米颗粒的质量分数为0~15%.实验结果表明：金刚石纳米颗粒增强了含油制冷剂的池沸腾换热,在测试工况下换热系数最大可增加63.4%,并且增加幅度随纳米油中纳米颗粒质量分数的增加而增加,随纳米油质量分数的降低而增加.开发了含油纳米制冷剂池沸腾换热关联式,关联式预测值与94%的实验数据偏差在±20%以内.     

铝基微通道内纳米流体饱和沸腾及可视化研究

分别以去离子水及质量分数为0.3%,0.6%和0.9%Al2O3纳米流体为工质,在截面宽×高为0.3 mm×2.0 mm矩形铝基微通道内进行沸腾换热实验,并利用高速摄像仪进行可视化研究,分析热流密度、雷诺数、壁面粗糙度对流体传热系数的影响,探究流体流型变化与气泡生长规律。研究结果表明:纳米流体与去离子水的饱和沸腾传热系数随热流密度的增加而快速增大,努塞尔数Nu随雷诺数Re增大而增大但增幅不同,质量分数为0.3%,0.6%和0.9%的3种纳米流体的Nu比去离子水的Nu分别提高约8%,13%和16%;在相同热流密度及质量流速条件下,纳米流体与去离子水的传热系数均随传热壁面粗糙度的增加而增大;流体流型的变化呈现周期性,增大热流密度,可缩短气泡生长周期,泡状流比例增加。     

缸盖鼻梁区氧化铝纳米流体沸腾换热数值模拟

利用数值模拟软件CFX建立氧化铝纳米流体沸腾换热模拟简化模型,研究氧化铝纳米流体作为冷却液以改善缸盖鼻梁区换热效果问题;选取粒径为20、40、60 nm流体,每种流体设置质量分数为3%、5%、10%和20%等4组实验,外加纯基液进行对比,共13种纳米流体,研究其在简化模型中的冷却效果,分析火力面侧的气泡分布和热流密度,同时探讨传热强化的原因以及粒径和质量分数对传热的影响。模拟结果表明,氧化铝纳米流体均能够强化该区域的沸腾换热,纳米颗粒与基液的对流换热以及纳米颗粒与壁面的接触换热均使传热得到强化,且粒径和质量分数越大,强化传热效果越好。     

煤沥青基类石墨烯碳/Fe_3O_4复合物的制备及其锂电性能研究

采用具有低软化点的煤沥青作为碳源,原位包覆Fe_3O_4纳米粒子制备Fe_3O_4/煤沥青基碳复合材料(简称Fe_3O_4/C),并研究复合物作为锂离子电池电极材料的性能.结果表明,所得煤沥青碳呈类石墨烯状包裹在Fe_3O_4纳米粒子周围,包覆前后所得产物的尺寸变化不大,约为200~400nm.XPS和热重分析证明复合物中存在C、O和Fe元素且Fe_3O_4含量为92.4%.采用交流阻抗、倍率性能和循环稳定性等对复合物进行电化学性能测试,所得的产品Fe_3O_4/C-700的电阻值为26.80Ω,比纯品Fe_3O_4的电阻值(126.04Ω)明显降低,说明煤沥青基碳具有提升Fe_3O_4导电性的功能.在0.1A·g~(-1)的电流密度下,Fe_3O_4/C-700复合物的放电比容量达993mA·h·g~(-1),比单纯Fe_3O_4的放电比容量(821mA·h·g~(-1))增加约21%;在0.4A·g~(-1)的电流密度下循环100次效率保留值为80.48%,表现较好的循环稳定性.所得煤沥青基类石墨烯碳原位包覆Fe_3O_4纳米粒子,有效抑制了后者在锂离子充放电过程中体积膨胀引起的聚集,同时增强了Fe_3O_4纳米粒子的导电性,使其表现出令人满意的电化学性能.     

Al2O3-H2O纳米流体管内流动特性数值模拟

采用数值模拟的方法研究了柱状管内Al_2O_3-H_2O纳米流体低流速的流动特性与换热机理.重点探究三维开口系稳态模型在不同体积分数的纳米颗粒情况下,对流动速度场和温度场的影响以及流动过程中的压降变化,并分析了Al_2O_3纳米颗粒对流动过程中的整体换热的影响.数值模拟结果表明:对于给定的入口流速,随着体积分数的增大,纳米流体各处温度、流动速度明显趋于一致,换热效果增强;压降梯度上升;纳米颗粒的布朗运动是影响换热与流动的主要因素,由于颗粒布朗运动的扰流与混合,各微元状态相互联系增强了流动均匀性.     

微通道内纳米流体换热与压降特性

为研究微通道换热和压降特性的影响因素,在当量直径分别为0.923 1,1.333 3和2.000 0 mm的矩形微通道内,以0.1%和0.5%(体积分数)的Al2O3-H2O纳米流体为实验工质,进行无相变以及沸腾传热与流阻特性实验研究,分析雷诺数对努塞尔数和单相流动压降的影响。研究结果表明:增加纳米粒子体积分数对摩擦压降影响较小,而努塞尔数则得到较大提高;在2.0 mm宽槽道内,纳米流体的换热系数比水的换热系数高18%;而0.6 mm宽槽道的换热系数比2.0 mm宽槽道的换热系数提高了近2倍;随着槽道尺寸的减少,摩擦压降显著增大;当雷诺数为800时,0.6 mm和1.0 mm宽槽道摩擦压降分别是2.0 mm宽槽道摩擦压降的23.3倍和4.4倍;热流密度和质量流量增大都将导致摩擦压降增大。     

对流换热系数考虑温度影响时对锂电池热扩散影响的数值分析

基于电化学-热耦合模型，以4节18650锂离子电池为研究对象，分析考虑温度效应时的对流换热系数对锂电池热扩散的影响及其程度。首先基于传热理论中的流体横掠顺排管束平均表面换热系数计算方法，计算得到不同温度和流速下锂离子电池表面对流换热系数，通过曲线拟合得到空气流速分别为0.05、0.1、0.2和0.3 m/s时对流换热系数与温度的函数关系，得出对流换热系数与温度不完全呈线性变化；其次基于以上函数关系，通过数值模拟分析了考虑温度效应时的对流换热系数对锂电池热扩散的影响。结论表明，考虑温度效应时的对流换热系数对锂电池温度场影响的程度不同。当空气流速分别为0.05、0.2、0.3 m/s时，锂电池的温度函数使锂电池放电过程中的温差变化均小于1%；但是当空气流速为0.1 m/s、锂电池放电至729 s时，考虑温度因素的对流换热系数的温度场比常数时的温度场下降了21.71%。该影响规律与不同流速下对流换热系数随温度变化相一致，也表明对流换热系数与流速、温度均有关，而且对流换热系数越大，锂电池越容易与外界空气发生热交换，锂电池放电过程中温差越小。