Cu-H_2O纳米流体流动与强化换热的数值模拟研究

模拟纳米流体在三维管道中的流动和强化传热过程,运用数值计算方法研究纳米流体的流动特性和传热机理,探究不同纳米颗粒体积分数和不同纳米颗粒大小在不同雷诺数(Re)下对纳米流体的流动和传热特性的影响。基于DPM模型对纳米流体在圆管中的对流换热进行了数值模拟研究,研究结果表明,在一定范围内,每增加0.5%的体积分数,纳米流体的传热性能平均增强7.82%。随着纳米颗粒的减小,纳米流体的传热系数不断增加。     

封闭腔内Al_2O_3-EG纳米流体自然对流传热特性的数值研究

对梯形封闭腔内Al2O3-EG纳米流体自然对流传热进行了数值模拟,讨论了封闭腔尺寸比、瑞利数、纳米颗粒体积分数以及布朗运动对自然对流流动与传热特性的影响。数值模拟结果表明在考虑布朗运动时,腔体尺寸比与瑞利数对流动传热均有很大影响,且尺寸比为0.5时,对流换热平均Nusselt数达到最大值。随着纳米颗粒体积分数的增加,纳米流体换热效果逐渐增强;但当忽略布朗运动时,添加纳米颗粒削弱了换热效果。     

活塞内冷油腔中纳米流体振荡流动与传热特性影响因素研究

采用计算流体力学的方法,研究了分别含Al₂O₃、Cu O、Si O₂的3种纳米机油在纳米颗粒体积分数为1%、3%、5%时相对于传统机油的振荡传热能力和机油在油腔内流动的规律。结果表明,纳米颗粒的加入改变了流体的物性参数,纳米流体的传热效果比传统机油更好,且内冷油腔的传热系数随着纳米流体体积分数的增加而增加,但对内冷油腔内瞬态机油的瞬态分布和充油率的影响不大;纳米流体的黏度、密度、导热系数、比热容都能影响内冷油腔的传热性能,密度的增加会使流体对壁面的冲击作用更强,从而增强油腔的传热能力;在纳米颗粒体积分数为5%时CuO纳米机油的传热系数比Al₂O₃、SiO₂纳米机油分别高8.2%和14.6%。     

水基纳米流体在铜丝平板热管中的应用

对使用三种水基纳米流体作为工质的铜丝平板热管的传热特性进行了实验研究.使用的纳米流体分别是平均粒径20 nm的Cu纳米颗粒、平均粒径50 nm的Cu纳米颗粒和平均粒径50 nm的CuO纳米颗粒的水基悬浮液(简称水基20 nm Cu、50 nm Cu、50 nm CuO纳米流体),着重分析了纳米流体种类,纳米颗粒质量分数、运行温度或工作压力对热管传热特性的影响.研究结果表明,使用纳米流体作为工质可以显著提高热管的传热特性;在不同运行温度条件下,不同的纳米流体均在质量分数1.0％时具有最佳传热效果;纳米流体是一种适用于铜丝平板热管的新型工质.     

活塞环-气缸套纳米润滑油强化传热的机理研究

内燃机活塞环-气缸套之间润滑油膜存在流体润滑、薄膜润滑以及干摩擦状态共存的现象。针对其中的流体润滑状态,采用Euler-Lagrange算法考察了加入纳米颗粒后对基础润滑油传热性能的影响。结果表明,由于纳米颗粒的加入对流场产生扰动,表现为速度边界层减薄,加速了润滑油与壁面热量传递过程,显著提高了润滑油的换热能力。以体积分数为0.5%、1.0%和1.5%、粒径为50nm的金刚石纳米润滑油为例,相对于基础润滑油,平均对流传热系数分别提高了2.5%、5.4%和7.3%。     

纳米流体Rayleigh-Bénard细胞流的格子-Boltzmann模拟

采用热格子-Boltzmann方法,对两平行平板间纳米流体的Rayleigh-Bénard细胞流现象及其影响因素进行数值模拟研究,模型计算结果与方腔内纳米流体的自然对流实验结果吻合较好。讨论了纳米颗粒种类(Al2O3、Cu和SiO2)、体积分数(1%～4%)等因素对细胞流流动和传热的影响。研究发现平板间纳米流体的Rayleigh-Bénard细胞流的流动和传热行为明显异于纯流体,同时发现纳米流体的热导率、黏度和颗粒的热运动共同决定细胞流的流场和温度场分布的规律:热导率越大、布朗运动的越强,会减小流体温度的非均匀性,削弱对流作用,使其细胞流对涡个数减小;黏度增大也会抑制细胞流的发展。     

纳米流体强化活塞组-气缸套传热的数值模拟研究

将活塞组-气缸套作为一个耦合体,利用数值模拟法研究了只在润滑油中与只在冷却水中加入纳米Cu颗粒两种情况下的强化传热效果,并与原机传热情况进行比较。研究结果表明:无论是以Cu-润滑油纳米流体还是以Cu-水纳米流体作为传热工质,都可以显著提高活塞组-气缸套的散热性能,且散热量随着纳米粒子浓度的增高而增大。对于活塞侧,Cu-润滑油纳米流体的改善效果强于Cu-水纳米流体,其中Cu体积分数为5%的Cu-润滑油纳米流体可使燃烧室中心点a、燃烧室喉口点b、顶面外边缘点c和第一环外侧上边缘点d的温度平均降低约28.4、21.7、22.8和27.7K;对于气缸套侧,Cu-水纳米流体强化换热效果更理想,Cu体积分数为5%的Cu-水纳米流体可使气缸套内侧上边缘点e的温度平均降低约10.4K。     

纳米颗粒对二元硝酸盐表面张力和密度的影响

为准确计算纳米熔盐的传热储热能力,利用高温熔融法将SiO2纳米颗粒分散至二元硝酸盐(60％NaNO3-40％KNO3)中,制备了5种不同含量SiO2纳米颗粒的纳米熔盐复合材料.基于阿基米德法测量液体密度和拉筒法测量液体表面张力的原理改进实验装置,搭建高温熔盐密度、表面张力实验台.实验对制备的5种纳米熔盐的表面张力和密度进行实验测量,并对实验数据进行拟合,得到5种纳米熔盐密度和表面张力随温度的变化关系,拟合得到纳米熔盐密度和表面张力与温度之间的实验关联式.结果表明,基盐及5种纳米熔盐的密度均随温度的升高而下降,且加入SiO2纳米颗粒后,熔融盐的密度变化不明显.基盐及5种纳米熔盐的表面张力也随温度的升高而下降,且加入SiO2纳米颗粒后,熔融盐的表面张力值均有所增加.提出纳米熔盐形成机理,并对纳米熔盐密度和表面张力改变的原因进行解释.     

纳米二氧化硅强化四元溴化盐熔化潜热及热稳定性的实验研究

高温熔盐作为一种高效的传热和蓄热工质,其熔点的高低和熔化潜热的大小决定着熔盐的工作温度和相变蓄热能力。以化学纯Na Br、KBr、CaBr_2、LiBr为基盐,按照一定比例配制一种混合四元溴化盐。为改善该混合熔盐的性能,将纳米SiO_2以一定质量分数均匀加入混合溴化盐中,配制得到SiO_2纳米溴化盐。利用同步热分析仪对四元溴化盐和SiO_2纳米溴化盐的熔点和熔化潜热进行实验研究。实验结果表明纳米溴化盐的熔点随纳米SiO_2质量百分含量的增大而缓慢下降,下降幅度在2.5℃以内;熔化潜热随纳米SiO_2质量百分含量的增大呈近似直线规律升高,当纳米SiO_2含量达到1.5%时,该纳米SiO_2溴化盐的熔化潜热达到最大,较四元溴化盐升高了89.6%;纳米SiO_2的添加提高了四元溴化盐的分解温度及热稳定性。     

管壳式太阳能相变储热器传热特性的数值研究

通过焓-孔隙法建立数值模型,研究石蜡RT50在管壳式太阳能储热器的传热特性,并分析储热器安装形式、不同管径和管外肋片结构对相变储热过程的影响规律。结果表明,立式储热器在管径较大时（相变材料区域厚度较薄时）熔化速度比卧式储热器快;而在管径较小时（相变材料区域较厚时）熔化速度比卧式储热器慢。卧式储热器相变材料熔化过程的初始时间段和末尾时间段热传导占主导地位,而中间时间段自然对流换热占主导地位,且熔化速度主要由自然对流换热决定。此外,管外侧安装肋片能够显著提高传热系数,缩短熔化时间。相较于无肋片管道,卧式储热器采用环肋管道可缩短熔化时长31.6%;采用直肋管道可缩短熔化时长42.1%。直肋比环肋具有更好的传热效果,主要原因为直肋能够强化熔化过程中的自然对流。     

Research on charge and discharge performance of a new molten salt heat storage material

针对高效率太阳能热发电传热储热的需求,本工作对新型熔盐（LiNO₃：NaNO₃：KNO₃物质的量比例为2：3：5）进行了充放热传热性能研究。通过Fluent模拟结果表明最后熔化的区域是位于罐体底部的边角位置,为了在工程应用中防止此区域出现熔化死角,应增加熔化装置。通过充放热实验验证了模拟结果,实验研究结果表明罐体内的熔盐在加热过程中,是自上而下逐渐熔化的,且熔盐始终存在温度分层,而熔盐冷却凝固的过程并没有分层现象。     

纳米流体在微通道换热中的研究进展

随着微尺度应用需求日益增长,纳米流体与微通道分别作为强化传热流动介质与强化传热结构获得学者们的广泛关注。主要概述了纳米流体的制备方法与稳定性,以纳米颗粒及基液类型、纳米颗粒的浓度、粒径以及强化传热机理为类别,综述了纳米流体在不同结构微通道中传热与流动性能的研究进展。通过分析已发表的研究成果,总结了纳米流体在微通道换热中的研究难点,提出了研究纳米流体在微通道中流动与传热特性的主要方向。     

纳米通道内纳米流体流动特性的分子动力学模拟

利用分子动力学方法对铜-氩纳米流体和基础流体在不同剪切速度下的纳米尺度的Couette流进行模拟计算。结果表明:在纳米尺度通道内,纳米流体流动过程中颗粒存在旋转运动和平移运动,从而加强湍流效果,强化传热并影响整个流动区域内的流动速度分布,造成纳米流体速度呈非线性分布。壁面和纳米颗粒表面都会形成一层排布更为规则的液体原子吸附层,吸附层内液体分子在流体流动过程中一直伴随着壁面和纳米颗粒进行运动,且吸附层具有"类固"特性,可以增强纳米流体的传热能力。     

一种余热利用相变石蜡储热过程的数值模拟

基于一种相变储热石蜡,考虑熔化过程中液相的自然对流情况,建立了矩形腔内石蜡熔化过程的数学模型,并利用该模型进行了数值模拟,分析了石蜡熔化过程中的温度场变化、流场变化、相界面移动情况。通过采用铝制翅片的方式强化传热,并分析了翅片位置对该石蜡熔化时间的影响。模拟结果表明,在y=0.1、y=5、y=10、y=15mm时,与不采用翅片相比,储热时间分别缩短了43.1%、52.0%、38.3%、22.2%。研究结果对相变储热器的优化设计有一定意义。     

扰流参数和非均匀颗粒结构参数对填充床相变蓄热器蓄热特性的影响

以填充床式相变蓄热器作为研究对象,将60%NaNO₃和40%KNO₃混合而成的二元硝酸盐作为传热流体,将59.98%MgCl₂、20.42%KCl、19.6%NaCl混合熔盐作为相变材料,建立无需对每个封装颗粒网格离散化的多孔介质局部非热平衡模型。通过数值计算对填充床式相变蓄热器的蓄热性能进行研究,分析了扰流参数以及颗粒结构参数等对蓄热器蓄热性能的影响。为提升蓄热器的蓄热性能,采用非均匀颗粒直径分布,并与等颗粒直径进行比较。结果表明：与填充0.025 m和0.015 m的等颗粒直径相比,蓄热器上端填充0.025 m和下端填充0.015 m的非均匀颗粒直径分布的相变材料完全融化时间分别缩短了3.81%和1.90%。     

纳米流体稳定性及其导热性能研究

为了探究影响纳米流体稳定性和导热系数的因素,采用一步法和两步法分别制备了SiO_2-EG/DW(50∶50)纳米流体和SiO_2-EG纳米流体,探讨团聚体等效直径对纳米流体稳定性的影响。基于瞬态热线法的原理,测量一步法纳米流体的导热系数,分析温度和纳米颗粒质量分数对其导热系数的影响。结果表明:相比一步法制备的纳米流体,两步法纳米流体内团聚体的沉降速度增加了10~3倍,团聚体等效直径对纳米流体稳定性具有关键性的影响。纳米流体导热系数与温度和纳米颗粒质量分数呈线性正相关,纳米流体质量分数为15%时,80℃的样品导热系数相比40℃时提高了5.2%;60℃时,质量分数6%的纳米流体导热系数相比基液提高了6.4%;质量分数增加到15%时,导热系数相比基液提高了15.8%。     

矩形单元蓄热特性及结构优化CSCD

利用FLUENT软件对矩形单元内石蜡的熔化过程进行了数值模拟,分别研究不同的矩形单元上部尺寸、不同壁面温度对单元内石蜡熔化过程的影响,通过非线性拟合获得了单元内液相分数β与无量纲数Fo、Ste、Ra的准则关系式,为优化矩形单元内PCM总体熔化速率提供了方案与依据。研究结果表明:在石蜡熔化过程中,自然对流作为主导传热方式的时间比例随矩形单元上部尺寸的增加先增大后减小;自然对流对传热的强化作用随矩形单元内上部尺寸增加而增大,但平均储热速率随单元内上部尺寸的增加先增大后减小直至趋于平稳,存在最优值;温差是影响PCM熔化的关键因素之一,将温差从43℃提高至53℃,再从53℃提高至63℃熔化时间分别缩短14.63%、24.26%不等。     

A numerical investigation into the charge behaviour of a spherical phase change material particle for high temperature thermal energy storage in packed beds

基于高温相变材料,对填充床储热系统中储热单元球体的储热性能进行了模拟研究.研究了不同传热流体温度和球体直径对球体储热性能的影响规律,对导热为主的相变储热过程与导热和自然对流共同作用的相变储热过程进行了比较分析,同时还探讨了高温辐射换热的影响.结果表明,相变时间随球体直径的增大而增大,随传热流体温度的增大而减小.当考虑相变区域自然对流时,总的相变时间显著减少,和单纯导热相比,完全相变时间缩短了近16%.在导热和自然对流的基础上加上辐射传热后可以看出,辐射换热强化了球体内的传热过程,加快了相变材料的熔化速度,强化了自然对流的作用.     

The enhancement on heat capacity of nitrate salt heat storage materials by doping SiO2 nanoparticles

多元混合硝酸盐作为高温传热流体在聚光式太阳能热发电系统中具有良好的应用前景。本工作利用水溶液法,在具有较低熔点的NaNO₃-KNO₃-LiNO₃三元共混合硝酸盐中掺入SiO2纳米颗粒,有效地提高了混合硝酸盐储热材料的比热容,其中掺入较低质量分数（0.0625%）的纳米颗粒比掺入较高质量分数（1%、0.25%）的纳米颗粒能获得更高的比热容。利用聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone,PVP）作为分散剂,增强了SiO2纳米颗粒在硝酸盐中的分散性,有效地缓解了制备过程中纳米流体中纳米颗粒的团聚。同时,本工作还研究了纳米颗粒的团聚对其增强比热容效果的影响,并通过使用分散剂,进一步提高了硝酸盐储热材料的比热容。最终结合上述关系,引入界面热阻和半固体层模型,讨论了掺入纳米颗粒增强硝酸盐储热材料比热容的机理。     

新型分叉翅片强化管壳式储能罐储热性能北大核心CSCD

针对相变材料的质量和最大储热能力因翅片占据相变储能装置的部分体积而下降的问题,实现翅片结构优化具有重要意义。本工作在传统纵向翅片的基础上根据分叉形状提出了一种新型翅片来提高管壳式相变储能罐的储热性能,并针对该装置中相变材料带自然对流的熔化过程进行了三维数值模拟研究,分析了翅片数量、传热流体的入口温度和流速对相变材料熔化过程的影响。研究结果表明:与具有同等体积和数量的纵向翅片相比,新型分叉翅片显著加快了管壳式相变储能罐的蓄热过程。与无翅片和纵向翅片相比,新型分叉翅片使相变材料的熔化时间分别缩短了59.9%和23.4%,平均储热速率分别提高了142.1%和31.4%。在不改变翅片体积的前提下,增加翅片的数量可以减少相变材料的熔化时间,提高平均储热速率,但当翅片数量超过6时,对储热性能的进一步改善效果不明显。提高传热流体的入口温度和流速不仅可以缩短相变材料的熔化时间,也可以增加总储热量和平均储热速率。研究结果可为管壳式储能装置的结构优化和太阳能的高效利用提供一定的参考价值。