強化換熱管內納米流體耦合傳熱特性及強化機理研究

《強化換熱管內納米流體耦合傳熱特性及強化機理研究》是依託中國礦業大學，由齊聰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：強化換熱管內納米流體耦合傳熱特性及強化機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：齊聰
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

由於傳統換熱介質的熱容量和導熱係數較小以及普通換熱管道的換熱效率低下，嚴重影響換熱設備換熱效率的提升。本項目將不同顆粒結構的納米流體與強化換熱管相結合套用於換熱設備中，對強化換熱管內納米流體耦合傳熱特性及強化機理進行研究，用於提高換熱設備的換熱效率。研究內容主要包括：將納米顆粒微觀結構的影響引入顆粒間相互作用力模型中，建立更高精度的納米流體顆粒間相互作用力模型；耦合納米顆粒間主要相互作用力和強化換熱管主要結構參數，完成高階複雜湍流模型的降階處理，建立強化換熱管內納米流體湍流流動與傳熱的格子Boltzmann模型；研究納米顆粒間的相互作用機理和納米顆粒的分布規律；揭示納米顆粒間相互作用力與強化換熱管結構的耦合強化換熱機理；分析納米顆粒的微觀結構對納米流體穩定性和湍流流動與傳熱特性的影響，建立傳熱學與動力學特性的評價體系。該項目對於豐富納米流體強化換熱機理的研究、推動其套用有重要意義。

結題摘要

由於傳統換熱介質的熱容量和導熱係數較小以及普通換熱設備的換熱效率低下，嚴重影響換熱設備換熱效率的提升。本項目將納米流體與不同強化結構的換熱面相結合套用於光熱轉換、換熱器、電子元件冷卻等領域的換熱設備中，對納米流體與強化傳熱面的耦合傳熱特性及強化機理進行研究。針對光熱轉換的腔體，本項目建立了納米流體流動與傳熱的兩相格子Boltzmann模型，研究了納米顆粒間的相互作用機理和納米顆粒在腔體內的分布規律，揭示了納米顆粒粒徑對流動與傳熱的影響規律，結果發現布朗力的數量級遠遠大於顆粒間其它的作用力，在強化換熱方面起著決定性的作用，納米顆粒主要分布在腔體的上部或者中部，粒徑越小越有利於強化傳熱，這對光熱轉換腔體內傳熱介質及工況的選擇、傳熱機理的解釋及強化傳熱的方向提供了一定的指導意義。針對換熱器，本項目配製了不同種類的納米流體，提出了一種基於紫外分光光度計的穩定性檢測方法-透過比法，該方法是一種定量檢測方法，與定性的沉澱法相比，具有更加準確的優勢。本項目將配製的納米流體與各種強化結構的換熱管相結合，研究了不同結構的強化換熱面、納米顆粒組分對流動與傳熱的影響，發現強化結構與納米流體的結合大大提升了換熱效果，同時也大大增加了其流動阻力。為了能夠客觀、綜合地評價這些強化技術，引入了火用效率，但是傳統的火用效率需要針對每一個物理問題進行模型建立及公式推導，過程繁瑣。本項目提出並建立了一種統一的火用效率評價準則圖，與傳統的火用效率評價相比，本項目的火用效率評價準則圖適用範圍更廣，只要涉及到強化手段，該評價準則均可適用，並且不再需要單獨推導和建模，這對於以後新的強化技術在能的品質上的綜合評價有一定的指導意義。針對電子元件冷卻，本項目研究了不同的強化換熱面與納米流體的結合，結果發現最大納米顆粒組分的冷卻效果不是最好，而是存在一個臨界組分，這對於電子元器件冷卻表面結構的設計、傳熱介質及工況的選擇提供了一定的指導意義。