粘彈性流體基納米流體流動與傳熱特性研究

《粘彈性流體基納米流體流動與傳熱特性研究》是依託哈爾濱工業大學，由李鳳臣擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：粘彈性流體基納米流體流動與傳熱特性研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李鳳臣

項目摘要

粘彈性流體誘發高雷諾數下的湍流減阻和極低雷諾數下的彈性湍流現象，以及納米流體的增強基液導熱能力並強化其對流換熱現象，已被學術界所認識。本項目創新性地提出把粘彈性流體和納米流體的特性相結合的思想，研究粘彈性流體基納米流體的熱流動特性，以期獲得更具獨特功效的新型熱流動工質。首先，研究粘彈性流體基納米流體的配製方法及其穩定性，並詳細測量其流變學物性及熱導率，建立理論模型。其次，研究該種流體在常規尺度流道內高雷諾數下的湍流減阻流動特性、在極低雷諾數下的彈性湍流誘發條件及特性，以及在微通道內誘發混沌流動並強化混合的效果。最後，研究該種流體在高雷諾數湍流流態及微通道內低雷諾數流態下的強化對流換熱特性。本項目的研究成果是對粘彈性流體湍流減阻和彈性湍流發生機理的深入認識，也有助於進一步研究納米流體增大熱導率和強化對流換熱機理；研究得到的粘彈性流體基納米流體穩定體系將為諸多套用領域提供新型的熱流動工質。

結題摘要

粘彈性流體誘發高雷諾數下的湍流減阻和極低雷諾數下的彈性湍流現象，以及納米流體的增強基液導熱能力並強化其對流換熱現象，已被學術界所認識。本項目創新性地提出把粘彈性流體和納米流體的特性相結合的思想，研究粘彈性流體基納米流體（VFBN）的熱流動特性，以期獲得更具獨特功效的新型熱流動工質。在本項目執行過程中，確立了基於兩步法的VFBN配製方法，所採用的粘彈性流體基液為十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）輔之以等質量濃度的水楊酸鈉（NaSal）水溶液，試驗了銅、二氧化鈦、碳化鈦、銀、多壁碳納米管納米粒子，並通過實驗詳細研究了所配製的VFBN的穩定性、內部微觀結構特徵、導熱係數和流變學物性，在實驗基礎上，建立了納米流體通用導熱係數理論模型。 搭建了納米流體流動與換熱特性實驗台，實驗結果表明，所測量的VFBN湍流流動均有湍流減阻效果，而且在一定工況下，相比於粘彈性流體基液湍流流動，加入納米粒子之後對流換熱得到強化，說明相比於表面活性劑溶液湍流減阻流動，利用所配製的VFBN既可獲得湍流減阻效應（相比於水），又可獲得強化對流換熱效應（相比於粘彈性流體基液），達到了開展本項目研究的目的。提出了考慮納米粒子效應的熱擴散模型，並採用Giesekus本構模型描述粘彈性流體，建立了VFBN湍流對流換熱的直接數值模擬（DNS）模擬方法。DNS結果表明，VFBN所得到的湍流減阻特性與粘彈性流體基液湍流減阻特性一致，湍流減阻誘發機理也相同。通過對VFBN湍流速度場和溫度場進行統計分析，闡明了該種流體湍流對流換熱特性及其發生機理。針對極低雷諾數彈性湍流，率先建立DNS模擬技術。利用DNS實現了彎曲微通道及直通道內的粘彈性流體純彈性（流動雷諾數為1的量級）誘發流動不穩定和彈性湍流流動，實現了彎曲微通道及直通道內極低雷諾數流動工況下的流動混合強化效果，研究了彈性湍流的誘發機理。 在本國家自然科學基金項目的資助下，出版英文專著1 部、中文專著1部，發表學術論文 32 篇，其中SCI論文 15 篇、EI論文 12 篇（其中 10 篇為SCI、EI雙檢索）、ISTP論文 2 篇；申請國家發明專利 2 項；參加國際學術會議 7 人次、國內相關學術會議 8 人次，聘請國外專家來華交流講學 3 人次；培養博士生 4 名（其中已畢業並獲得博士學位 2 名，另外 2 名為在讀博士生）、碩士生 3 名（已獲得碩士學位）。