強迫循環條件下納米流體強化臨界熱流密度機制研究

《強迫循環條件下納米流體強化臨界熱流密度機制研究》是依託西安交通大學，由武俊梅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：強迫循環條件下納米流體強化臨界熱流密度機制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：武俊梅
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

納米流體作為新型強化換熱介質，在諸如核動力系統、電子元器件冷卻等高熱流密度換熱系統中具有廣闊的套用前景。本項目利用膠體化學、分子動力學、流體力學、傳熱學基本理論，探索納米顆粒在流體中的遷移、對流動邊界層及流動沸騰流型的影響；建立考慮納米顆粒的汽液固三相流動沸騰換熱模型；並採用移動粒子半隱式法(MPS)對水性納米流體強迫循環條件下流動沸騰過程中氣泡的生成、脫離和融合進行數值模擬，預測流動沸騰條件下臨界熱流密度（CHF）的發生規律。根據核動力系統嚴重事故工況下的特殊環境及要求，篩選適宜的納米流體，精心設計實驗段；對不同體積份額的水性納米流體分別進行垂直和水平通道內的流動沸騰換熱實驗，進一步掌握納米流體流動沸騰CHF值與其影響因素之間的關係。將數值模擬、實驗結果與相同工況下純水的數據進行對比，揭示納米流體強化CHF的根本機制，研究其用於核動力系統嚴重事故工況下的可行性和相關策略。

結題摘要

按照申請書的研究內容和目標，通過實驗和理論分別研究了納米流體強迫對流換熱、流動沸騰換熱以及CHF相關特性及機理。在實驗研究中，搭建了實驗迴路，自行配置納米流體，利用控制變數法分別開展了多種納米流體強迫對流換熱、流動沸騰換熱以及流動沸騰CHF的實驗研究，通過掃描式電子顯微鏡和投射式電子顯微鏡分別觀測了沸騰過程前後實驗段內表面上納米顆粒的沉積情況以及實驗前後納米顆粒的形態和大小的變化。發現沸騰過程會導致納米顆粒在加熱面上沉積，納米顆粒形態、尺寸在實驗過程中沒有顯著變化；納米顆粒的極性對換熱有一定的影響，極性強的顆粒產生較大的靜電力，顆粒間碰撞及微觀運動更劇烈，換熱也更強；基於納米流體流動沸騰實驗結果提出了一個描述影響流動沸騰換熱的無量綱量，它可以統一地描述納米流體沸騰換熱增強與削弱的條件；基於實驗結果整理出了納米強迫對流換熱、流動沸騰換熱及流體流動沸騰CHF的關係式。在理論研究中，建立了納米顆粒微觀作用力相關模型，通過數值模擬研究了納米顆粒在溫差和速度梯度作用下的分布和遷移特性，以探索納米顆粒增強對流換熱的機制；通過建立氣泡相界面力平衡模型以及傳熱傳質模型，分別研究了加熱面朝上和加熱面朝下時納米流體流動沸騰的氣泡行為，包括氣泡的生長、滑移、脫離等，從理論上論證了納米流體能有效提高核動力系統IVR能力的潛力；基於微液層蒸乾理論，推導了納米顆粒沉積層吸附力模型以及汽塊軸向和徑向力平衡方程，通過求解微液層厚度研究了納米流體流動沸騰CHF的影響機制，從理論上探索了納米流體CHF增強的機理。 本課題在納米流體強化換熱機制探索方面做了新的嘗試，也為納米流體的工程套用提供了理論指導和經驗。在課題進行中，項目負責人赴南洋理工大學（Nanyang Technological University）進行了訪學和交流，也多次邀請國外學者進行講學交流。項目組成員多人次參加了國際、國內會議並作報告，研究成果與國內外專家進行了廣泛的交流。 本課題已經培養畢業了兩名碩士，一名博士生，發表了期刊論文11篇，其中SCI論文8篇，期刊和會議EI論文15篇，其他會議論文8篇。1篇SCI論文入選為ESI論文，該論文還獲2013年度期刊最佳論文。還有論文正在撰寫中。