纳米流体管内流动的悬浮稳定性与强化传热特性研究

摘要

为了适应工业工程中设备小型化，热负荷增加的需要，科研工作者提出了多种强化传热技术，但传统的通过扩大换热表面等方法已很难满足特殊条件下的传热和冷却要求。近些年来，纳米技术的逐渐成熟给强化传热领域带来了新的机遇。研究表明，在液体工质中添加纳米粒子，可显著增加液体的导热系数，增强热交换系统的传热性能。
　　 本文的研究内容主要围绕纳米流体的制备、稳定性分析、纳米流体的流动与对流换热特性展开，主要内容包括以下几个方面：
　　 1、纳米流体的制备及分散稳定性分析
　　 将氧化钛粉末与液体介质混合，制备了几种不同浓度的TiO2-水纳米流体，采用沉降实验、观察粒子形貌特征、测定粒度分布等方法对悬浮液的稳定性进行了分析。结果表明，超声时间、分散剂浓度、纳米粒子浓度是影响其稳定性的重要因素。
　　 2、弯管段对纳米流体管内层流状态下悬浮稳定性的影响
　　 建立了纳米流体管内循环流动的实验装置，对TiO2-水纳米流体弯管内层流状态下的悬浮稳定性进行理论分析。实验结果表明，与直管中不同纳米流体在弯管中流动时，Reynolds增加，粒子浓度略微下降；雷诺数的变化对悬浮液的分散稳定性有重要影响。例如纳米流体在流经直管Re=200、2000时，相比与制备好纳米流体，其粒子浓度分别为初始浓度的71.5％、96.9％；而对于弯管中流动的纳米流体，Re=200、2000时，其粒子浓度分别为初始浓度的68.5％、89.3％。
　　 3、层流范围内粒子浓度的变化对纳米流体稳定性的影响
　　 采用两步法制备了若干种浓度的纳米流体，研究了流动状态下纳米粒子浓度对悬浮液稳定性的影响。实验结果表明，Reynolds一定时，随着粒子质量分数的增加，其粒子团聚、沉积的百分数会逐渐增大，即悬浮液的稳定性越差。例如，Re=1000，当ω=0.005，△ω=3.8％；ω=0.015，△ω=5.7％。此外，Reynolds大小会对这一结果产生影响，当粒子浓度较小时，雷诺数影响不明显，但随着粒子浓度的增加，Reynolds越大，悬浮液稳定性越好。例如，ω=0.05，当Re=1000、2000时，其粒子浓度分别下降4.2％、3.8％；ω=0.015，当Re=1000、2000时，其粒子沉淀的百分比分别为8.3％、5.7％。
　　 4、纳米流体对流换热特性实验研究
　　 自行设计了测量纳米流体管对流换热系数的实验装置，测量了不同质量份额的TiO2-水纳米流体在Reynolds1000～2500范围内的对流换热系数。实验结果显示，在液体中添加纳米可以显著增加液体的对流换热系数(Nu、h)，增强了液体的换热效果；另外，分别对换热实验段为铜光管、内螺纹管的换热系数进行了对比。实验结果表明，相比于基础液体纳米流体在内螺纹管内的换热系数降低，且随着雷诺数的增加降幅增大，随着流体速度的增加，水的换热系数Nu和h不断增大，且在螺纹管内增加的比例远高于铜光管。