MWCNT纳米流体在封闭腔内的自然对流传热特性研究

摘要

20世纪90年代以来，碳纳米管因其良好的导热性，为研制高导热性能的新型换热工质提供新的思路和途径，引起国内外研究人员的广泛关注。论文以多壁碳纳米管（MWCNT）纳米流体为研究对象，测试其热物性参数，通过实验和数值模拟的方法研究了纳米流体在封闭腔内的自然对流传热特性并进行了理论分析。
　　文中采用扫描电子显微镜（Hitachi SU-70）和激光粒度仪（LS-230 Coulter）观测纳米流体中的MWCNT形貌及粒径分布，并分析纳米流体的稳定性。利用瞬态平面热源法和旋转法分别测量了MWCNT纳米流体的导热系数和粘度，分析了流体温度、MWCNT体积分数以及静置时间等因素对纳米流体的导热系数和粘度等物性的影响，研究结果表明：导热系数随温度的升高而增大；随着体积分数的增加而增大；随着静置时间的增加而降低。粘度随着温度的升高降低；随着体积分数的增加而增大；随着静置时间的增加而增大。
　　基于 PID自控原理开发了以 LabVIEW2012为软件控制平台的温控系统，实现了对自然对流传热实验系统的温度实时监控及数据保存等功能，搭建的测试系统能满足 MWCNT纳米流体在瑞利数范围为Ra=8.94×106～7.15×107的自然对流传热性能的实验要求。实验结果表明：纳米流体在封闭腔内的自然对流换热强度随着加热和冷却两壁面温差的升高而增强，但并没有随着 MWCNT体积分数的增加而增强。分析认为由于MWCNT的添加导致纳米流体粘度的提升幅度远大于导热系数的提升幅度，这是造成纳米流体对流换热强度降低的主要原因。
　　基于格子Boltzmann方法的基本思想，从介观尺度分析MWCNT纳米流体在封闭腔体内的自然对流传热特性的影响因素。采用C语言编写了LBM-TD2G9耦合双分布函数模型的计算程序，数值求解了纳米流体自然对流传热问题，并验证了数值解的准确性。模拟结果表明：向基液中添加MWCNT可以起到强化自然对流传热的作用，且MWCNT的体积分数越大，自然对流传热效果越强。此外，封闭腔内纳米流体自然对流效应的强弱由Ra数的大小决定，Ra数越大，自然对流效应越强；反之，腔体内传热过程则主要依靠冷热两壁面之间的导热。然而，该算法在高Ra数下的自然对流传热研究已不再适用，需考虑各方面的物理量变化。

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1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 碳纳米管纳米流体自然对流传热特性的研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 创新点

2 MWCNT纳米流体的热物性测量

2.1 MWCNT纳米流体

2.2 MWCNT纳米流体的稳定性

2.3 MWCNT纳米流体的导热系数测试实验

2.4 MWCNT纳米流体的粘度测试实验

2.5 本章小结

3 自然对流传热实验系统的建立及实验研究

3.1 实验系统的总体设计

3.2 实验热电偶的标定

3.3 矩形封闭腔体的设计

3.4 实验加热部分的温控设计

3.5 实验方法与步骤

3.6 结果与分析

3.7 本章小结

4 MWCNT纳米流体自然对流传热特性的数值模拟

4.1 格子Boltzmann方法简述

4.2 格子Boltzmann基本模型

4.3 MWCNT纳米流体自然对流传热的数值模拟

4.4 数值模拟结果与分析

4.5 本章小结

5 全文总结及展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

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