氮气-水基纳米流体在微小管道内两相流动流型特性的研究

摘要

纳米流体作为一种新型的强化传热工质，在传热学领域有着广阔的应用前景。特别是将纳米流体应用于两相流流动与传热方面，例如作为换热工质在微小流道内气液两相流动，正在成为换热研究的一个新的热点。在两相流动中，流型是两相流流动特性以及传热特性研究的基础，流型的变化往往会引起流动阻力、流动的稳定性、压降以及换热特性的变化。纳米流体在气液两相流动中的流型转变的研究就有很大的现实意义，只有掌握了纳米流体在气液两相流动中的流型转化规律，才能更好的研究其在两相流动中的其它诸如压降、换热系数等规律。纳米流体在微小流道内两相流动还没有人进行过相应的研究。本文进行以下的研究工作： （1）搭建了微小流道竖直与水平气液两相流动的实验平台，比较系统的研究了在微小圆形流道内气液两相流动的流型特性。 （2）研究了在内径为1.6mm的竖直玻璃毛细管圆管内的氮气－CuO水基纳米流体的两相流流型分布图，实验气体是氮气，液体是去离子水。实验首先对毛细管内氮气—去离子水垂直向上流的两相流流型图以及对应的压力特性进行了实验研究，得到的实验结果和前人提出的应用于常规管的半理论半经验公式进行了比较。毛细管内气-水两相流流型和常规圆管的流型图有很大不同。在小管径的条件下，在气相速度不变的情况下，液体相互之间碰撞融合的几率大大的增加，各流型间的相互转化在更小的液相速度下就已会发生，搅拌流和环状流向低速区发展。 （3）在水中添加不同比容积的SDBS和CuO纳米颗粒制备成SDBS水溶液和纳米流体，对SDBS水溶液和纳米流体在垂直毛细管内气液两相流的流型图进行了测量和总结。研究发现在毛细管内，使用SDBS水溶液和纳米流体后，毛细管内的气液流型转化在更低的流速下产生。SDBS水溶液和纳米流体对两相流流型的影响主要是由于添加表面扩散剂SDBS和纳米颗粒后降低了溶液表面张力而产生的。纳米流体中的纳米颗粒和表面扩散剂浓度变化对流型图几乎无影响。 （4）在水平管实验中，SDBS水溶液和纳米流体在水平毛细管中气液两相流型与纯水的气液两相流型在泡状流、塞状流区域无较为明显的区别，波状分层流与弹状流和环状流的流型转换则有较大的差别，波状分层流的区域随表面张力的减小而增大。纳米流体中的纳米颗粒和表面扩散剂浓度变化对流型图几乎无影响。 （5）表面张力的变化是影响水平毛细管两相流流型的主要因素。水中添加表面活性剂后，液体表面张力减小，重力影响因素增大，受重力的影响，液体大多集聚在管子的底部，从而，在管中难以形成液塞或难以在管壁上形成均匀的液膜，分层波状流区域向弹状流及环状流区域拓展。而添加纳米颗粒后，表面张力进一步降低，分层波状流区域进一步向弹状流及环状流区域拓展。而泡状流与塞状流、塞状流与弹状流的转换线受表面张力的影响小，流型的转变基本不变。