纳米流体强化微尺度换热的研究进展

综述了纳米流体强化微尺度换热的研究进展。总结了近几年纳米流体应用于微尺度换热器中的实验研究。从两方面对纳米流体强化微尺度换热的机理进行了分析:纳米颗粒本身对换热特性的强化;纳米颗粒改变换热表面特性对换热的强化。介绍了纳米流体强化微尺度换热的数值模拟研究。指出了当前研究中存在的问题和不足,并对今后的研究工作进行了展望。     

粒子迁移对混合纳米流体对流传热性能影响

为研究混合纳米流体管内对流传热性能,采用两步法制备Al₂O₃-CuO/水混合纳米流体,测量黏度与导热系数随温度及体积分数的变化,研究层流与紊流时对流传热性能。结果表明,对于静置的混合纳米流体,体积分数越高导热系数越大,布朗运动加快水分子和粒子间温度趋于一致的速度。当Al₂O₃-CuO/水混合纳米流体体积分数为0.03%,对流传热系数在雷诺数Re分别为2300和6530时比水增大了24.3%和20.3%,这主要源自于导热系数的增大和粒子迁移运动,流体受泵驱动向前运动,在近壁处流体温度高于管中心,热泳运动驱动粒子从高温区移向低温区,由于粒子导热系数大于水,温度梯度沿管径变化更平缓,使对流传热系数增大。     

SiO2-乙醇纳米流体重力热管传热性能的试验研究

在Maxwell所提出的关于悬浮液导热系数的模型的基础上考虑了布朗运动、纳米颗粒之间的团聚和固液界面液膜层内液体分子规则排列对纳米流体导热系数的影响,研究了SiO_2-乙醇纳米流体的热传导性能,推导出了纳米流体导热公式,在不同质量分数、不同充液率以及不同粒径下对单管传热进行试验研究。结果表明:改进后的模型导热系数比原模型更大;相同粒径和充液率的纳米流体,质量分数在1.5%时传热效果最好;相同粒径和浓度的纳米流体,充液率32%时传热效果最好;相同浓度和充液率的纳米流体,15～20nm的SiO_2纳米流体传热效果更高。纳米流体的传热系数随着纳米颗粒平均粒径的减小而增大,这与推导的模型结果相符合。     

石墨烯/去离子水纳米流体振荡热管传热性能

通过实验研究石墨烯（GNP）纳米流体振荡热管的传热性能,质量分数分别为0.01%、0.05%、0.08%和0.10%,充液率为45%~90%,加热功率为10~100 W。结果表明,充液率为45%时,GNP纳米流体可以缓解烧干;充液率为55%~70%,质量分数为0.01%具有较为明显的传热优势,其热阻最高可降低83.33%。GNP纳米流体改善PHP传热性能的原因主要是其热导率较高,表面润湿性能较好。     

CO2在纳米流体解吸过程中的微对流现象

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CO2从乙醇和乙醇纳米流体中解吸过程液相流场进行了观测和分析。传质发生时,在近界面处均观察到了由Marangoni效应造成的湍动。通过对平均速度的分析,发现在乙醇纳米流体中发生的湍动强度和湍动范围较乙醇溶液中大。纳米流体中的Marangoni效应加剧了纳米粒子的布朗运动,引发了纳米流体中的微对流,从而将界面处的湍动传递至液相主体中,导致液相主体的漩涡增多、流体混合加剧,促进了气液传质。     

纳米流体传热性能研究进展与存在问题

介绍了纳米流体的制备技术,重点阐述了纳米流体传热性能特异性研究进展和存在的问题,同时对今后纳米流体研究的发展方向提出了展望。     

纳米流体强化传热技术及其应用新进展

综述了近年来纳米流体的制备、热传导、对流、沸腾换热等方面的最新研究进展,介绍了纳米流体在微管道散热器中的应用,并对纳米流体技术及应用的发展方向提出了展望.     

纳米颗粒强化相变流体传热性能的研究进展

相变流体是一种具有高载热密度的传热工质,但传热性能有待进一步提高.在相变流体中引入能显著提高流体传热性能的纳米颗粒是近年来兴起的研究课题.综述了纳米颗粒在微胶囊相变流体中强化传热性能的研究进展.结合笔者所在实验室的研究成果,介绍了纳米颗粒在相变乳状液方面的传热强化效果,最后提出了下一步工作的重点.     

三角形微通道内纳米流体流动与换热特性

以去离子水为基液,通过两步法制备出粒子体积分数为0.1%的SiO₂、Al₂O₃、TiO₂纳米流体,并分别在流体内添加一定量的表面活性剂以提高其稳定性。利用紫外分光光度计和热物性分析仪,对3种纳米流体稳定性和热导率进行测试。此外,为研究纳米流体在三角形微通道内的流动与换热特性,利用红外热像仪观察通道底面温度分布。结果表明,表面活性剂会对纳米流体吸光度产生影响,且粒子会随着时间的增加逐渐团聚。纳米颗粒的添加可有效提高工质的热导率并强化对流换热,微通道底面温度明显降低,且均温性得到改善。3种纳米流体中,TiO₂纳米流体呈现出更加良好的导热和换热性能。     

不同温度下纳米流体对微槽群热沉毛细性能的强化差异研究

基于一维的自适应理论,采用经典的毛细上升法,在室温、40℃、60℃情况下比较分析温度对Fe3O4水基纳米流体强化微槽群热沉毛细性能的影响.结果表明:3个温度下,纳米流体所产生的强化效果随颗粒体积分数的变化规律是一致的,并存在统一的最佳体积分数.纳米流体对热沉毛细性能的平均强化比例随温度的提高呈现先减小后增大的趋势.低体...     

基于尿素/氯化胆碱低共熔溶剂体系纳米流体制备及其热物性研究

随着电子工业的快速发展,传统换热工质由于其较低的热导率已无法满足越来越高的换热需求。另一方面,传统的换热工质受限其相对较窄的液程范围而无法使用于复杂的温况或特殊的工作条件。低共熔溶剂（DESs）具有与离子液体相似的低饱和蒸气压、高沸点及强稳定性等优势,在传热领域具有巨大的潜力。制备了以尿素/氯化胆碱低共熔溶剂体系为基液,石墨烯、Al₂O₃、TiO₂三种纳米粒子填充的纳米流体,研究了黏度、热导率等热物性与纳米粒子和基液组成之间的关系,并系统地研究了纳米粒子结构对其稳定性的影响。实验结果表明,纳米粒子的填充会在一定程度上增加基液的黏度,其中石墨烯填充的纳米流体的黏度增加最大。此外,石墨烯能显著提高DESs的导热性能,其中6%（质量）石墨烯纳米流体热导率相比基液可增加29.0%。     

纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性

对去离子水及体积分数分别为0.15%和0.26%的水基γ-Al₂O₃纳米流体在当量直径为194.5 μm的硅基梯形芯片微通道内的层流流动和换热特性进行了实验研究。考察了Reynolds数、Prandtl数以及体积分数对流动换热的影响。结果发现,使用纳米流体后,压降无明显增加,纳米流体的流动阻力特性与去离子水基本相同;对流换热Nusselt数较去离子水有明显提高,且随着体积分数的增加而增加;相同泵功下换热热阻显著下降。实验还发现纳米流体的强化传热效果在较高温度时更加明显。根据实验数据得到了梯形硅微通道内低浓度纳米流体的层流对流换热关联式。研究结果对于集成高效芯片散热系统设计具有重要意义。     

多壁碳纳米管-水纳米流体导热机理及重力热管实验研究

在考虑了纳米层的情况下对原有的Xue导热模型进行改进,研究多壁碳纳米管-水纳米流体的热传导性能,推导出纳米流体导热公式并将纳米流体运用到碳钢重力热管中,在不同质量分数下对单管传热进行实验研究。结果表明纳米层的存在提高了有效热导率;在相同条件下质量分数2%的多壁碳纳米管-水纳米流体重力热管传热性能最好,传热系数比普通水重力热管最大提高了40%。     

纳米流体圆管内的湍流流动特性

采用Eulerian-Eulerian模型和Eulerian-Lagrange模型研究了TiO₂-水纳米流体在水平管内的湍流流动特性,并与实验结果进行对比分析,探讨了不同模型中各种相间作用力的影响。从微流动角度探索纳米流体的流动本质,从而进一步揭示其传热强化机理。结果表明：在壁面附近,纳米颗粒与水存在着明显的速度差异,相间的动量交换十分明显,从而强化了局部微流动,导致边界层变薄。纳米颗粒在整个流场内部是不均匀分布的,使得边界层内部换热能力得到大幅度增强。纳米流体流动特性的改变是影响其强化换热的主要因素。     

纳米流体对流传热的研究进展

将纳米颗粒加入到传统换热介质中形成的纳米流体是一种新型的强化传热介质。它不仅具有较高的单相对流传热系数,而且分散稳定,不容易磨损和堵塞管道。文中综述了纳米流体在对流条件下强化传热的实验研究进展及强化传热模型,并对实验结果和强化传热的机理及模型进行了简要分析。发现:纳米流体强化对流传热的效果与颗粒和基液的属性等有关;强化传热主要是由于导热系数的增加和纳米颗粒的运动及重新分布引起的物性变化等影响。同时提出了纳米流体对流传热研究中存在及有待改进的一些问题。     

减阻型纳米流体在圆管内的流动和换热特性

实验测定了在Reynolds数4000～16000范围内,质量分数0～0.5%的石墨、多壁碳纳米管、Al₂O₃、Cu、Al、Fe₂O₃、Zn纳米粒子加入到100～400 mg·kg^-1浓度的十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)减阻剂中所制备的减阻型纳米流体的摩擦阻力系数和对流传热系数。结果表明:在CTAC中加入水杨酸钠(NaSal)与去离子水所配制的减阻剂具有一定的稳定性和很强的减阻特性,当减阻剂浓度为200 mg·kg^-1时其减阻特性最优。石墨纳米粒子在增强对流换热和减少流动阻力方面具有较佳的综合性能,当石墨纳米颗粒质量分数为0.4%时,其综合性能因子K是去离子水的5倍。最后给出了减阻型石墨纳米流体在圆管内的流动阻力和换热关联式,其计算值和实验值吻合良好。     

纳米流体冲击射流换热特性实验

以纳米流体为工质对冲击射流冷却系统的综合性能进行实验,主要研究了添加纳米颗粒的纳米流体与水在不同流速、不同射流高度等条件下冲击射流的传热效率,同时也对不同种类的纳米流体的换热效率进行了对比。结果表明：对于添加了纳米颗粒的冲击射流冷却系统,传热效率得到显著提高,但当质量分数达到0.5%时,传热系数变化不明显。对于不同种类的纳米流体：Cu-水、Al₂O₃-水和Al-水纳米流体,其中Cu-水的换热效率最高,存在一个特定的射流高度,使传热系数达到最大值。研究结果对设计制造轻型紧凑的高效换热器有实用的工程价值。     

三元混合纳米流体稳定性及热性能

采用两步法制备体积分数为0.005%～1%的Al₂O₃-TiO₂-Cu/水三元混合纳米流体,粒子体积比为40∶40∶20。为了提高其稳定性,添加少量的PVP（0.005%）表面活性剂,并用XRD、TEM、紫外分光光度计和沉淀观察法共同表征纳米流体的稳定特性。测量温度为20～60℃的黏度和热导率,并与相对应的单一纳米流体作对比。试验结果表明,三元混合纳米流体由于各种粒子的粒径和表面能不同,小粒径的Al₂O₃颗粒填充在大粒径TiO₂和Cu颗粒形成的间隙里,可形成致密的固液界面层。三元混合纳米流体由于粒子的特殊排布,使其热导率明显高于相同体积分数下对应的单一纳米流体,黏度却无明显增大。当体积分数和温度分别为1%和60℃时,与Al₂O₃/水纳米流体对比,其热导率增大了5.5%,黏度下降了2.6%。热导率随温度和浓度的升高而升高;而黏度随浓度的升高而升高,随温度的升高而下降,这与单一纳米流体的性质一致。最后,基于试验数据,对热导率和黏度分别进行与温度的拟合,R²分别为0.9835和0.9820,能较精确地预测Al₂O₃-TiO₂-Cu/水三元混合纳米流体的热导率和黏度。     

磁场调控磁性纳米流体流动和传热研究进展

磁性纳米流体在实现能量高效和可控传递领域极具发展潜力。本文综述了磁场作用下磁性纳米流体对流换热及沸腾换热的最新进展,主要包括强制对流换热、混合对流换热、自然对流换热、池沸腾换热及管内沸腾换热等方面的实验研究,分析了磁场类型、强度、梯度、频率、方向及磁铁位置等对磁性纳米流体流动和热传输特性的影响,指出可通过改变外加磁场来实现对磁性纳米流体流动和传热的控制,并探讨了磁性纳米流体流-磁耦合作用下的传热机理以及目前所面临的挑战。在此基础上,提出了未来磁场调控磁性纳米流体对流换热和沸腾换热的主要发展方向：制备稳定的磁性纳米流体,建立系统有效的流动和传热理论模型,并从微介观尺度诠释热-流-磁耦合协同换热机理。