纳米流体沸腾换热实验研究

摘要

近年来，电子器件体积日趋小型化和集成化，单位面积的热量集聚严重，由此引起的散热问题日益严俊，如何实现热量的高效传递以保证大功率电器的安全运行，一直困扰着相关领域的研究者。关于纳米流体汽液两相流强化传热方面的研究结论，在当今传热学领域仍存在较大争议；且由于它在实际应用中需求较大，促使各国相关领域研究者对其进行实验研究和理论分析，但大部分仅局限于理论研究方面，实验研究相对较少，因而本文希望通过实验研究的方法，探讨影响纳米流体沸腾换热性能的实验机理，为实现更高效率的强化传热作铺垫。
　　本文在综述了目前国内外纳米流体沸腾换热的研究及其进展情况的基础上，对纳米流体进行了沸腾换热实验研究，探讨其中蕴含的传热机理，为进一步强化沸腾换热提供参考依据。首先采用两步法制备了不同组分的纳米流体，对其导热系数等物性参数的影响因素进行了理论分析。然后，精心设计并搭建了纳米流体沸腾换热的实验装置，并结合已有的且研究比较成熟的水的沸腾换热曲线，验证了实验装置的可靠性及可重复性。进而介绍了具体的实验方案及实验方法，对不同纳米流体的沸腾换热特性进行实验研究，利用高速摄像机对沸腾换热过程进行了可视化观测，记录沸腾蒸发腔内气泡变化规律及相关试验数据，并对沸腾换热前后加热铜柱的上壁面情况进行了SEM表征对比。通过实验数据、气泡图像、壁面形态等信息的整理，对比分析不同基液组分、纳米颗粒浓度、纳米颗粒粒径、纳米颗粒种类在不同系统运行压力下的沸腾换热特性的差异，进而分析以上各因素对纳米流体沸腾换热性能的影响及其作用机理。
　　本文实验研究结果表明：
　　（1）在低浓度范围内，纳米颗粒质量浓度越大，越有利于纳米流体沸腾换热性能的提高。纳米颗粒平均粒径为30nm，质量浓度分别为0.001％、0.005%、0.01%的水-氧化铝纳米流体的沸腾换热性能从左到右依次变大。
　　（2）纳米流体的沸腾换热性能与纳米颗粒种类有关，在其他条件相同的情况下，纳米颗粒的物性，诸如导热系数、比热、密度、粘度等，均会影响纳米流体的沸腾换热性能。纳米颗粒平均粒径为30nm、质量浓度为0.005%的水-氧化铝纳米流体的沸腾换热性能比水-二氧化硅更好。
　　（3）对于制备纳米流体的基液，也会影响纳米流体的沸腾换热性能。纳米颗粒平均粒径为30nm、质量浓度为0.005%的氧化铝纳米流体，混合基液中乙二醇的质量分数越低，纳米流体的沸腾换热性能越好。
　　（4）在试验范围内，纳米颗粒的平均粒径越小，纳米流体的沸腾换热性能越好。质量浓度均为0.005%，平均粒径为30nm的水-氧化铝纳米流体的沸腾换热性能优于平均粒径为50nm的水-氧化铝纳米流体。
　　（5）试验系统的工作压力对纳米流体的沸腾换热性能有重要影响。实验结果表明，与高压条件相比，纳米流体在低压条件下的沸腾换热性能更好。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2纳米流体沸腾换热国内外研究进展

1.3本文研究的主要内容

第2章 纳米流体制备及性能分析

2.1纳米流体的性能分析

2.2纳米流体的制备

2.3本章小结

第3章 沸腾传热理论及气泡动力学特性

3.1沸腾传热理论

3.2气泡动力学特性

3.3本章小结

第4章 实验装置及实验方法

4.1实验装置

4.2试验数据处理

4.3试验误差分析

4.4实验方法

4.5本章小结

第5章 实验结果及分析

5.1不同浓度下水基Al2O3纳米流体的沸腾换热特性

5.2水基Al2O3和SiO2纳米流体的沸腾换热特性

5.3水基和乙二醇水混合液基Al2O3纳米流体的的沸腾换热特性

5.4平均粒径30nm和50nm的水基Al2O3纳米流体的沸腾换热特性

5.5本章小结

第6章 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢