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高等传热学纳米流体微尺度传热论文

研究生课程(论文类)试卷2 0 1 5/2 0 16学年第1学期课程名称:高等传热学课程代码论文题目:纳米流体强化微尺度传热学生姓名:课程(论文)成绩:课程(论文)评分依据(必填):题目选择正确; 25%内容正确,篇幅合理; 30%论文清晰、逻辑性强; 30%参考文献引用完善。 15%任课教师签字:日期: 年 月 日摘要:本文从两方面对纳米流体强化微尺度传热的机理进行了分析:纳米颗粒本身对换热特性的强化; 纳米颗粒改变换热表面特性对换热的强化。介绍了纳米流体强化微尺度传热实验研究和数值模拟研究的国内外现状。基于此,指出了当前研究中存在的问题和不足,并对今后的研究工作进行了展望。关键字:纳米流体;微尺度;强化传热1 前沿随着全球科学技术的发展和能源问题的日益突出,强化传热在能源的开发和节约中起着重大甚至是关键性的作用。目前,各行业对热交换系统的传热负荷和传热强度要求日益增大,热交换设备的结构尺寸限制及使用环境也日益苛刻,对热交换系统的高效低阻紧凑等性能指标的要求也越来越高,尤其在能源、化工、航空航天、微电子、信息等领域,对强化传热技术提出了更高的要求。为此,众多的科学研究工作者已对热交换系统强化传热技术进行了深入的研究,并提出高热导率、传热性能好的高效新型换热基质,其将成为研究新一代高效冷却技术的热点。近年来,纳米材料和技术的快速发展给固体颗粒强化流体传热带来了新的机遇。Choi等[1]首先提出了纳米流体的概念,即在传统流体中加入金属纳米颗粒构成一种新型的换热基质(纳米流体),这是纳米技术应用于传热学中的创新性研究。与传统的纯工质相比,纳米流体具有较好的导热系数和单相对流系数,为了获得更高的传热系数,近年来人们开始将纳米流体应用于微尺度换热器中,纳米颗粒的加入不仅使换热效果显著提高,而且相比于毫微米颗粒,具有更加均匀、稳定的优点,不易产生磨损和堵塞。近十余年来,许多科学研究者不断地探究纳米流体强化传热技术机理,推动纳米流体强化传热技术在工业中的应用。与常规尺度传热相比,在微尺度条件下,流体的传热规律已明显不同,传统的传热传质理论及实验方法已经不能很好地解决微观尺度下的实际问题。这主要是因为当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子的平均自由程同一量级时,基于连续介质的一些宏观概念(粘性系数、导热系数等)和规律(Navier-Stokes方程、Fourier 定律等)将不再适用[2]。2 纳米流体强化微尺度传热机理纳米流体强化微尺度换热特性的机理分析主要包括两个方面:第一,纳米颗粒本身对换热特性的强化;第二,通过纳米颗粒在换热过程中改变换热结构的表面特性间接对换热特性的强化。2.1 纳米颗粒本身对换热特性的强化在纳米流体中,纳米粒子受范德瓦耳斯力、粒子表面双电层引起的静电力以及驱动粒子做布朗运动的布朗力等三个力作用[3]。在这些力的作用下,纳米粒子表现出了一些特定的行为和运动状态,而纳米流体强化传热的机理除了固体粒子导热系数远比液体大之外,还与纳米粒子所表现出的这些行为和运动状态密切相关,这主要包括纳米颗粒的布朗运动,颗粒-液体界面上存在的类固体结构的液相分子层,纳米颗粒团簇的形成和移动等[4]。这就导致了基础液体结构的变化,增强了混合物内部的能量和动量交换,使导热系数增大。2.2 纳米颗粒改变换热表面特性对换热特性的强化刁彦华等[5]以TiO2/R141b纳米流体为工作介质,研究微槽道结构蒸发器的强化换热特性时发现,在微槽道的表面形成了一多孔纳米颗粒沉积层,而正是这个沉积层的存在增大了换热面积,进而起到了强化换热的效果。但是,当纳米流体的体积浓度增大到0.1% 时,却出现了传热恶化的现象,分析认为当纳米流体浓度过大时,沉积层变厚,此时流体的流动阻力将增大,进而影响到纳米流体的对流传热。刘振华等[6]在研究水基氧化铜纳米流体强化水平轴向圆管型微槽道热管换热特性时发现,纳米颗粒的加入改变了铜壁表面的接触特性。当尺寸较小的纳米粒子在管内流动时,会有部分纳米粒子镶嵌在铜表面缝隙中,这样就降低了表面粗糙度,也大幅降低了气液表面张力和固液接触角,使得液体更容易在微槽中扩展,而且增大了毛细力极限。3纳米流体强化微尺度研究现状3.1实验研究Mohammed等[7]采用体积分数分别为1%~5%的Al2O3-H2O 纳米流体作为冷却介质,对微通道换热器的性能进行了分析。结果表明,当纳米流体的积分数增大时,矩形微通道换热器的总热阻减小,压降很小,换热性能将高;积分数增大到5%时,却几乎与纯水作冷却介质时的换热系数相当。因此,采用Al2O3-H2O纳米流体作为冷却介质,并非体积分数越大越好,应从热阻、压降、温度曲线、摩擦系数等综合考虑,

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