混合纳米流体粒子比对热物性参数的影响及性能分析

为了研究氧化物混合纳米流体的粒子混合比对导热系数及粘度的影响,实验采用两步法制备Al2O3-CuO/乙二醇-水混合纳米流体,并用Hot Disk 2500S热常数分析仪及DV3T粘度仪测量了温度范围为20～60℃、20 nm Al2 O3与40 nm CuO颗粒体积比为20:80～80:20的导热系数和粘度值.结果表明,导热系数和粘度均随着小粒径氧化铝颗粒含量的增大而增大,但在粒子比为50:50时导热系数出现最低值.从纳米层结构和颗粒聚集形态分析可知,小粒径颗粒能很好地填充于大粒径颗粒形成的缝隙中,形成"20 nm Al2 O3粒子-基液分子-40 nm CuO粒子"界面纳米层,界面热阻降低,导热系数增大.但是,通过透射电镜图可知在粒子比为50:50时,各颗粒结合不好,形成的团聚体尺寸大,造成局部粒子空白区,导致导热系数下降.最后,分析纳米流体的综合传热性能,Al2 O3-CuO/乙二醇-水混合纳米流体在研究工况内均适合应用于层流流动与传热过程;在紊流时,由于流动扰动强度大,仅当粒子比小于40:60时适合应用于紊流流动与传热过程.     

热物性数据精度对熔融盐传热性能计算的影响

熔融盐是太阳能高温热发电技术中颇具前景的传热蓄热介质.其黏度、密度、比热容和导热系数与熔融盐的传热过程密切相关.利用函数误差理论,从各种传热条件下的经典换热公式出发,分别计算了对传热性能影响+10%和-10%时各热物性的误差值,并结合热物性数据的误差分析,确定了热物性数据对传热性能计算的影响程度.     

内置扭带管Cu-水纳米流体的流动和传热特性

为了研究纳米流体在内置扭带管表面传热特性及流动特性,设计并建立一套纳米流体表面传热实验系统,Reynolds数(Re)在2 000-7 000的范围内,分别对质量分数为0.1%,0.3%和0.5%的Cu-水纳米流体在不同扭转比的内置扭带管中的传热特性进行实验研究。结果表明:随着Re增加,Cu-水纳米流体和去离子水的沿程阻力系数均减少;水的沿程阻力系数小于Cu-水纳米流体,内置扭带管的沿程阻力大于光管,且随着扭转比的增大而减少;Nusselt数(Nu)随Re和纳米颗粒质量分数的增大而增大;Cu-水纳米流体的Nu比水高,质量分数为0.5%的Cu-水纳米流体在Y=3.5与Y=5.5的内置扭带管的增强幅度分别为2.29与2.14;内置扭带管的Nu比光管大,且随扭转比增大而减少。     

SiC-水纳米流体在微小通道中的流动和换热特性

为了解决传统换热工质导热系数和传热性能不高的问题,以Si C-水纳米流体为工质,研究了不同体积分数(0.001%、0.005%、0.01%、0.1%、1%)的Si C-水纳米流体在多孔微通道平行流扁管中的单相流动和换热特性.该扁管矩形通道的水力直径为2.08 mm,实验Re大约为150~5 200.研究结果表明:随着体积分数的增加,纳米流体的Nu呈现先增长后下降的趋势;体积分数为0.01%的Si C-水纳米流体在Re≈5 200时,Nu增长最大,增长率达到80.8%;纳米流体起到强化换热效果的同时,伴随着阻力增加.     

水基碳纳米管纳米流体在矩形腔内的自然对流传热

为了评估碳纳米管在强化传热技术中的应用潜力, 采用实验方法研究水基碳纳米管纳米流体在矩形封闭腔内的自然对流传热性能, 由实验得到瑞利数为1.92×105～2.52×106范围内不同颗粒体积分数的纳米流体沿矩形封闭腔热流方向的平均努塞尔数分布.采用瞬态热线法和旋转黏度仪测量水基碳纳米管纳米流体的导热系数和黏度,探究纳米流体导热系数和黏度与纳米颗粒体积分数的变化关系,分析纳米流体导热系数和黏度对纳米流体自然对流传热的影响.结果表明:在封闭腔内纳米流体沿热流方向的平均努塞尔数随着瑞利数的增加而增大,封闭腔内对流传热不断增强;与水的自然对流传热相比,在低瑞利数(Ra＜8.5×105)时,纳米流体自然对流传热效果随着颗粒体积分数的增加而增强;在高瑞利数(Ra＞8.5×105)时,体积分数为0.48%的纳米流体的平均努塞尔数比水大,自然对流传热得到强化,而体积分数为1.45%的纳米流体的平均努塞尔数比水小,自然对流传热减弱.     

二元熔盐在螺旋槽管内流动和传热特性数值模拟

为探索数值模拟方法预测二元熔盐在螺旋槽管内的流动和传热特性研究中的可行性,使用Ansys软件对熔盐在不同几何参数的螺旋槽管内的流动和传热特性进行数值模拟。采用半周加热,研究在不同工况下熔盐入口温度和热流密度变化时熔盐的流动和传热特性。通过数值模拟得到了熔盐在螺旋槽管内的流动速度分布云图和矢量图,得到了熔盐在管道出口温度分布云图,并计算得到熔盐在管内的Nu-Re变化曲线。结果表明,熔盐管内流速呈现周期性变化,同时产生二次环流流动。熔盐在螺旋槽管内的传热Nu数和Re数的变化趋势一致,出口温度分布不均匀性较小。随着螺旋槽管槽深的增大,对熔盐的传热效果也相应提高。熔盐入口温度越高,螺旋槽管内熔盐的传热效果越好。     

Q型内构件强化管内湍流流动与传热特性分析

为了研究内置Q型扰流构件强化圆管内湍流流动与传热特性,以水为工质采用ANSYS Fluent软件在3 000≤Re≤30 000范围内对内置RL-90-QSM、RR-90-QSM和RR-00-QSM等3种构件的管内传热与流阻性能进行数值模拟,基于RL-90-KSM研究Q型构件强化传热综合性能。研究结果表明:在Re=3 000~5 000,RL-90-QSM内传热Nu随Re的增大增加最快,较KSM内Nu提高约7%~36%,但其强化传热综合性能弱于KSM;而RR-00-QSM和RR-90-QSM内传热Nu分别较KSM降低约3%~8%和4%~15%。当Re5 000时,RL-90-QSM内Nu较KSM提高约48%,特别是当Re15 000时其强化传热综合性能高于其他三种构件;RR-90-QSM和RR-00-QSM的强化传热性能随Re增加逐渐降低,但其强化传热能力高于KSM。     

石墨-水纳米流体对流换热特性的实验研究

使用自行设计的测量纳米流体流动与对流换热性能的实验装置,测量了含有不同体积分数纳米石墨的石墨-水纳米流体雷诺数在3 000~6 500范围内的对流换热系数。实验结果表明:石墨纳米颗粒的加入提高了水的对流换热系数;石墨纳米颗粒在水中的体积分数与对流换热系数近似呈线性关系;努塞尔数Nu随着雷诺数的增大近似线性增大;流动状态下的纳米粒子本身的无规则运动和热散射对对流换热系数的提高有显著影响。     

微通道内纳米流体的流动与换热特性

以不同浓度的TiO2-水纳米流体和水为冷却工质,在扇形微通道热沉内进行流动和换热特性模拟和实验研究. 模拟采用有限体积法的两相混合模型,搭建了能测量纳米流体流量、进出口压降和温度、底面加热膜温度的实验系统;工质在微通道内的雷诺数处于207~465,加热膜热流密度为2 × 106 W/m2 . 结果显示:在扇形微通道内,纳米流体的摩擦阻力系数随Re变化趋势与水相似,且均比水大;随着Re的增大,各工质的摩擦阻力系数下降. 纳米流体的传热性能强于水;随着TiO2纳米颗粒浓度和Re的增大,Nu升高,纳米流体的强化传热能力随之提高.     

错位角对管内双螺旋扭带层流换热特性的影响

为了提高管内层流换热性能,根据螺旋扭带的传热强化机理开发了双螺旋扭带作为管内扰流元件.在管内双螺旋扭带间隙比和长径比不变的情况下,通过数值模拟对内置不同错位角的双螺旋扭带在Re=100~1 200范围内的管内层流换热与流动特性进行研究.结果表明:在Re500情况下错位角为0°的连续扭带Nu最大;当Re=500~1 200时,Nu分别在错位角为60°和错位角为0°达到最大值和最小值,前者比后者大2%~12%;阻力系数f在Re=100~1 200范围内随雷诺数的增大而减小,随扭带错位角的增大而增大;当100Re≤900时,错位角为0°对应的强化传热比PEC最大,而在Re900情况下,PEC在60°错位角最好,Re500情况下,90°错位角的PEC值最小,始终小于其它错位角,在双螺旋扭带结构设计中应引起注意.     

倾斜板上热质反向扩散的数值分析

用数值方法研究了倾斜板上热及物质扩散共存且扩散方向相反时的流体流动及传热传质,得到了速度、流线、温度和浓度分布以及传热传质速率随倾斜角度和浮力比的变化规律。研究结果表明:流体速度、努塞尔数Nu和修伍德数Sh均随倾斜角度的增加而增大,当θ>60°时,倾斜角度的变化对传热传质的影响减小,Nu和Sh数的变化趋于平缓。倾斜角度相同时,Nu和Sh随浮力比|B|的增大而增大。     

内螺纹肋管几何参数对流动与传热的影响

以空气(Pr=0.744)为介质,在Re=2 000时,对17根内螺纹肋管进行了数值模拟,研究内螺纹肋管的流动与传热特性.在梯形肋几何参数肋高H =0.02～0.06,肋数N=35～50条,螺旋角γ=35°～45°时,分析肋高、肋数、螺旋角的变化对Nu和f的影响,得出Nu和f随N、H增大而增大,随γ增大,Nu和f先增大再减小,Nu在γ=41°达到最大值,f在γ=39°达到最大值.研究表明,最佳肋参数为0.50/40/41.     

不同体系对流传热膜系数测定的实验研究

选用牛顿冷却定律作为对流传热实验的测试原理,通过建立不同体系的传热系统,即水蒸汽—空气传热系统、乙醇水溶液蒸汽—空气传热系统,分别对普通管换热器和强化管换热器进行了强制对流传热实验研究。确定了在相应条件下冷流体对流传热膜系数的关联式。普通管换热器对流传热膜系数的关联式:Nu=0.01473Re0.61Pr0.4;强化管换热器对流传热膜系数的关联式:Nu=0.0251Re0.821Pr0.4;其计算值与实验结果符合良好。此实验方法可以测出蒸汽冷凝膜系数和管内对流传热系数。     

不同形状微针肋通道流动与换热性能影响研究

采用CFD模拟软件,结合实验研究,针对圆形、三角形和方形截面微针肋通道流动与换热进行了三维数值模拟分析.分别模拟了不同雷诺数Re下,三种形状肋片的绕流流场和肋阵温度场分布,并计算摩擦阻力系数f、努谢尔特数Nu等参数评价针肋微通道流动换热性能.结果表明,f随Re的增大而减小,且低Re下,三角形针肋的f最小.Nu随Re的增加而增大.三种形状中,圆形针肋的Nu数最大,换热效果最好.综合流动和换热特性评估,认为圆形针肋比方形和三角形针肋更优.通过实验对比发现,微尺度效应对模拟结果的影响有一定的误差,但是整体趋势与模拟结果一致.     

混合纳米填料对复合相变材料导热系数的影响

为了研究混合纳米填料对复合相变材料导热系数的影响,制备以碳纳米管和银(或氧化铝)纳米颗粒为二元混合填料的有机类复合相变材料.采用瞬态平面热源法导热仪对复合相变材料在室温下固态时的有效导热系数进行测试.研究中综合考虑填料总加载量、碳纳米管/纳米颗粒的配比以及基底相变材料对复合相变材料有效导热系数的影响.实验结果表明,碳纳米管和纳米颗粒填料之间是互相抑制的,混合纳米填料所导致的复合相变材料导热系数增长甚至低于仅添加单一碳纳米管或纳米颗粒时的效果.在本研究所关注的较低的总加载量下(最高体积分数为1.5%),尚不足以构建出能够实现混合填料协同效果的有效导热网络.纳米填料分布的微观表征图片证实,虽然混合填料各自的分布都较为均匀,但导热机理的差异和较高的界面热阻使得不同纳米填料之间无法体现出理想的协同效应,反而导致当单一纳米填料之间的导热通路被破坏时会呈现出反效果.     

高温高热流密度熔盐吸热管传热试验研究

以三元熔盐为传热介质,在熔盐吸热传热实验平台上进行高温高热流密度下316L不锈钢熔盐吸热管传热特性试验。吸热管外径为20 mm,实验流体温度控制在250~500℃,热流密度为180~470 kW/m2。实验揭示了不同温度及不同热流密度下熔盐吸热管内对流换热的Nu-Re关系,Nu随Re增加显著增大,实验Nu数普遍高于按Sieder-Tate关联式计算的值。分析了温度及热流密度对熔盐吸热管传热特性的影响,发现熔盐平均温度相同时,低热流密度下的Nu数大于高热流密度下的Nu数,同时实验结果显示高温高热流密度下熔盐吸热管的传热性能主要取决于熔盐流速,且高热流密度对传热过程中的温度影响非常显著。     

多孔介质有效导热系数的实验与模拟

应用实验与数值模拟相结合的方法研究了多孔介质的有效导热系数.将分形理论与孔道网络模型相结合的分形孔道网络模型用于研究多孔介质的有效导热系数,为太阳池储热、地源热泵传热、食品干燥等方面打下了基础.模拟计算结果与实验结果吻合较好,证明了分形孔道网络模型适用于计算多孔介质的有效导热系数.研究了孔喉比、配位数、垂直热流方向喉道比例、喉道长度、孔隙率、固体骨架导热系数(K.)及流体导热系数(Kf)等多方面对多孔介质有效导热系数的影响.结果表明,垂直热流方向喉道会增大多孔介质的热阻,降低多孔介质的有效导热系数.当K8大于Kf时,随着孔喉比的增大以及喉道长度的减小,多孔介质的有效导热系数越大.当平行热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的减小而增大;当垂直热流方向喉道数目相等时,多孔介质的有效导热系数随着配位数的增大而增大.     

波纹管层流传热与流动的三维数值模拟

应用计算流体力学软件FLUENT对波纹管在层流情况下的传热与流动问题进行了三维数值模拟。所模拟的波纹管的母线由多段凹凸圆弧组成(半径分别为R1和R2),其公称直径为20mm,长度为2m。模拟了几何参数R1、R2对其传热与流动性能的影响。在模拟过程中压力-速度耦合选用SIMPLEC格式,压力方程的离散选用Standard格式,其他方程的离散均选用QUICK格式。结果表明:与光管相比,层流情况下波纹管能显著强化传热,在雷诺数(Re)相等情况下,波纹管的R1越大、R2越小时的强化传热效果越好;在几何参数相同情况下,Re越大,强化传热效果越好,在所研究的范围内,Nu最大增加了199.5%。同时,波纹管还具有良好的流动性能,大部分Re的范围内流动阻力系数小于光管的情况,并且随着Re的增大而逐渐接近于光管的摩擦系数。     

钛基二元纳米合金形成焓的尺寸效应

基于计算合金形成焓的改进Miedema模型和考虑纳米颗粒表面效应,研究了钛基二元纳米合金形成焓的尺寸和成分效应.计算结果表明钛基二元合金纳米颗粒的形成焓依赖颗粒尺寸,显示了明显的尺寸效应.纳米颗粒的形成焓随粒径的减小而增大,当粒径减小到某一临界尺寸时,纳米合金的形成焓由负值转变为正值,从而降低了纳米颗粒的热稳定性.当颗粒粒径小于10 nm时,纳米颗粒发生成分聚集,这种成分聚集发生的趋势取决于纳米合金的表面形成焓.     

纳米颗粒添加对熔融盐传热特性的影响

熔融盐由于其蒸汽压力低、工作温度高、热稳定性良好等特点,在集中式太阳能热发电系统中作为传热和蓄热工质应用较多.但熔融盐热导率较低,导致发电系统效率降低、能耗增加,发电系统成本升高.向熔融盐中加入纳米颗粒形成熔盐基纳米流体是能够改善熔盐热物性,文章以添加SiO2纳米颗粒的Hitec盐基纳米流体为研究对象,利用平衡分子动力学方法模拟计算热导率,从多角度分析以揭示物理机理.结果表明纳米颗粒质量分数为2％、4％和6％时,纳米流体热导率分别提高了5.75％、6.47％和0.05％.扩散系数结果表明,纳米颗粒添加不会强化基液微对流.分析径向分布函数发现,纳米颗粒添加导致了Na原子和NO3-中N原子间的配位数增加,粒子间作用力增强,引发纳米流体热导率提升.此外,随着温度升高,熔盐纳米流体热导率减小;颗粒质量分数/粒径变大,热导率出现非单调变化.