纳米流体及纳米表面的管内对流强化传热
纳米流体强化传热研究分析
雷诺数范围内的管内对流换热系数。从图 ３ 中可以
看出 ６ 种体积份额的石墨粒子后的纳米流体的努塞
尔数 Ｎｕ 都比相同雷诺数 Ｒｅ 条件下水的努塞尔 数
Ｎｕ 大， 随石墨固相含量的增加， 纳米流体的努塞尔
数 Ｎｕ 近似线性增大， 当石墨纳米颗粒的体积份额
依次从 ０．８７％增加到 ２．０８％， 纳米流体的 Ｎｕ 增加量
研究与探讨
１．３．２ 对流换热性能实验研究
在供热或制冷的流体介质中加入纳米颗粒，
可以优化流体热物性， 强化颗粒与流体的混合脉动
和湍流， 从而使热量传递得到加强， 换热性能显著
提升。
１．３．２．１ 实验原理
假定实验为无相变强制对流层流状态。
根据牛顿冷却公式：
ｑ＝ｈ（ｔｗ－ ｔｆ）
（９）
实验时将整个系统稳定在一个热平衡状态下，
第
Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的实验结果［１６］ 见图 ４。从图 ４
１
期
中可以看出 ６ 种体积份额的 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的努 ·２７·
研究与探讨
塞尔数比相同雷诺数下水的努塞尔数高， Ｆｅ３Ｏ４ 纳米 粒子的体积份额为 ０．３％时增加对流换热系数约为 ６０％， 当体积份额 增 加 到 １．０％时 ， 对 流 换 热 系 数 增 加接近 ９０％， 这些都说明 Ｆｅ３Ｏ４ 纳米粒子的加入增 强了对流换热强度， 有利于强化传热， 且体积份额的 增加也有利于强化传热。
２
即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或
０ ０
８
金属氧化物粒子， 形成一类新的传热冷却工质。Ｃｈｏｉ
年 第
运用传统的液固两相混合物导热系数关联式， 预测
１
期
了纳米流体的导热系数， 计算结果表明在液体中添 ·２５·
Al2O3-H2O纳米流体池内沸腾强化传热实验的曲面响应优化
㊀第３８卷ꎬ总第２２１期２０２０年５月ꎬ第３期«节能技术»ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ ３８ꎬＳｕｍ Ｎｏ ２２１Ｍａｙ ２０２０ꎬＮｏ ３㊀Ａｌ２Ｏ３－Ｈ２Ｏ纳米流体池内沸腾强化传热实验的曲面响应优化雷佳杰ꎬ卿㊀山ꎬ陈鹏飞ꎬ张㊀禄ꎬ廖稷邦ꎬ张㊀迎(昆明理工大学冶金与动力工程学院ꎬ云南㊀昆明㊀６５００００)摘㊀要:为了提高余热回收效率ꎬ强化沸腾换热ꎮ在池内沸腾强化换热实验中运用Ａｌ２Ｏ３－Ｈ２Ｏ纳米流体ꎬ研究了Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度㊁工件壁厚㊁热流密度对强化率的影响及最优强化条件ꎮ单因素分析结果显示ꎬ随着Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度㊁热流密度增大ꎬ强化率先增大后减小ꎻ随着工件壁厚增大ꎬ强化率逐渐减小ꎮ在单因素分析结果上ꎬ采用响应曲面法中Ｂｏｘ－ＢｅｈｎｋｅｎＤｅｓｉｇｎ(ＢＢＤ)模型对池内沸腾传热条件优化ꎬ得出三个因素对强化率的影响大小为:Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度>工件壁厚>热流密度ꎮ并且Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度与热流密度交互作用对强化率最为显著ꎮ通过曲面响应拟合最佳实验条件为:质量浓度１.２ｗｔ％㊁热流密度８３５４３Ｗ/ｍ２㊁壁厚０.４５ｍｍꎬ模拟结果强化率为１０７％ꎬ实验测得最优条件下强化率为１０６％ꎬ与预测接近ꎮ关键词:纳米流体ꎻ池内核态沸腾ꎻ强化传热ꎻ曲面响应ꎻ水基氧化铝ꎻＢＢＤ模型中图分类号:ＴＫ０１＋９㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００２－６３３９(２０２０)０３－０２０６－０７收稿日期㊀２０１９－１１－０６㊀㊀修订稿日期㊀２０１９－０４－１０基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１９６６００５ꎻ５１５６６００５)作者简介:雷佳杰(１９９６~)ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ主要研究方向为纳米流体换热特性ꎮＳｕｒｆａｃｅＲｅｓｐｏｎｓｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＢｏｉｌｉｎｇＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｎＡｌ２Ｏ３－Ｈ２ＯＮａｎｏｆｌｕｉｄＰｏｏｌＬＥＩＪｉａ－ｊｉｅꎬＱＩＮＧＳｈａｎꎬＣＨＥＮＰｅｎｇ－ｆｅｉꎬＺＨＡＮＧＬｕꎬＬＩＡＯＪｉ－ｂａｎｇꎬＺＨＡＮＧＹｉｎｇ(ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＫｕｎｍｉｎｇ６５００９３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｗａｓｔｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ.ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＡｌ２Ｏ３－Ｈ２Ｏｎａｎｏｆｌｕｉｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎꎬｗｏｒｋｐｉｅｃｅｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｈｅａｔｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｒａｔｅａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｅｐｏｏｌｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｎｇｌｅｆａｃｔｏｒａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＡｌ２Ｏ３ｎａｎｏｆｌｕｉｄｃｏｎｃｅｎ￣ｔｒａｔｉｏｎａｎｄｈｅａｔｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙꎬｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｆｉｒｓｔｉｎｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｄ.Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓꎬｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｒａｔｅｄｅｃｒｅａｓｅｓ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｎｇｌｅｆａｃｔｏｒａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓꎬｔｈｅＢｏｘＢｅｈｎｋｅｎＤｅｓｉｇｎ(ＢＢＤ)ｍｏｄｅｌｉｎｒｅｓｐｏｎｓｅｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｐｏｏｌ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｒｅｅｆａｃｔｏｒｓｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｒａｔｅｉｓ:Ａｌ２Ｏ３ｎａｎｏｆｌｕｉｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ>ｗｏｒｋｐｉｅｃｅｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓ>ｈｅａｔｆｌｏｗｄｅｎｓｉｔｙ.ＭｏｒｅｏｖｅｒꎬｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＡｌ２Ｏ３ｎａｎｏｆｌｕｉｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｈｅａｔｆｌｕｘｄｅｎｓｉｔｙｉｓｔｈｅｍｏｓｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ.Ｔｈｅｂｅｓｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ６０２ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ:ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ１.２ｗｔ％ꎬｈｅａｔｆｌｕｘ８３５４３Ｗ/ｍ２ꎬｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓ０.４５ｍｍ.Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｒａｔｅｉｓ１０７％ꎬａｎｄｔｈｅｂｅｓｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅ１０６％ꎬｗｈｉｃｈｉｓｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｎａｎｏｆｌｕｉｄꎻｎｕｃｌｅａｔｅｂｏｉｌｉｎｇꎻｅｎｈａｎｃｅｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒꎻｓｕｒｆａｃｅｒｅｓｐｏｎｓｅꎻＡｌ２Ｏ３－Ｈ２ＯꎻＢＢＤｍｏｄｅｌ㊀㊀１９９５年纳米流体的概念首次被Ｃｈｏｉ等[１]提出ꎬ其指按照实验要求ꎬ将一定量的金属或非金属纳米级颗粒以一定比例和方式与传统的换热介质进行配比ꎬ最终使纳米颗粒稳定的悬浮在换热介质中ꎬ构成一种新型换热介质ꎮ经过国内外研究人员发现ꎬ这种新型换热介质具有优异的传热传质特性[２]ꎮ目前沸腾换热由于温差低ꎬ热流密度高等优势被广泛应用于余热回收中ꎬ但对低品位余热回收ꎬ传统技术尚且不能满足要求ꎬ而强化沸腾换热效果则有助于提高低品位余热回收效率[３~５]ꎮ由于纳米流体的优异传热特性ꎬ将其应用于余热回收领域ꎬ很大程度上提高了沸腾换热效率[６~８]ꎮ罗小平等[９]ꎬ搭建了沸腾换热实验台ꎬ研究了表面活性剂对Ａｌ２Ｏ３/Ｒ１４１ｂ流动沸腾传热的影响ꎮ结果表明表面活性剂对沸腾换热的影响显著ꎬ采用十二烷基苯磺酸钠能提高２７.７％的效率ꎮ刘藏丹[１０]等ꎬ选用ＳｉＯ２纳米流体进行沸腾实验ꎬ探究纳米颗粒接触角对沸腾传热系数的影响ꎮ结果表明接触角会影响纳米流体沸腾时气泡的稳定性和加热面上纳米沉积层的形态ꎮ在纳米流体的制备中ꎬ氧化铝颗粒[１１~１３]相较其他金属㊁氧化物颗粒而言ꎬ造价低廉ꎬ应用普遍ꎮ马林[１４]等利用曲面响应法探究了氧化铝Ｒ１４１ｂ基纳米流体的制备工艺ꎮ研究发现超声振荡时间对纳米流体的制备影响最为显著ꎮＷａｎｇ[１５]等通过实验ꎬ研究了表面活性剂对Ｆｅ３Ｏ４稳定性的影响ꎬ结果表明表面活性剂ＴＭＡＨ㊁ＳＤＳ和ＳＬＳ对Ｆｅ３Ｏ４具有良好的稳定性ꎬ高导热性和低粘度性ꎮ为了对纳米流体池内核态沸腾换热影响因素进行研究ꎬ本文以去离子水为基液ꎬＡｌ２Ｏ３为纳米颗粒ꎬ采用两步法制备水基Ａｌ２Ｏ３纳米流体ꎬ利用响应曲面分析法Ｂｏｘ－ＢｅｈｎｋｅｎＤｅｓｉｇｎ(ＢＢＤ)模型探究Ａｌ２Ｏ３浓度㊁热流密度㊁工件壁厚交互影响ꎮ以响应曲面结果为理论依据ꎬ优化水基Ａｌ２Ｏ３纳米流体池内沸腾强化传热实验的影响因素ꎮ１㊀实验过程１.１㊀Ａｌ２Ｏ３纳米流体制备采用两步法制备Ａｌ２Ｏ３纳米流体ꎬ用电子天平(校正误差ʃ０.０００１ｇ)称量平均粒径为２０ｎｍ的Ａｌ２Ｏ３实验工质ꎬ以去离子水作为工质基液ꎬ采用十二烷基苯磺酸钠[１６~１８]作为分散剂以保证纳米流体的稳定性ꎮ将平均粒径为２０μｍ的十二烷基苯磺酸钠与Ａｌ２Ｏ３纳米颗粒按照１:３的质量比添加到基液中ꎮ经过搅拌器搅拌２０ｍｉｎ使其与基液充分混合ꎬ利用超声池对搅拌均匀的纳米流体振荡６０ｍｉｎꎬ经过以上步骤最终可得稳定㊁均匀的Ａｌ２Ｏ３纳米流体ꎮ图１㊀Ａｌ２Ｏ３纳米颗粒电镜图图１为Ａｌ２Ｏ３纳米颗粒采用ＮｏｖａＮａｎｏＳＥＭ４５０型超高分辨率电镜进行扫描后放大２０万倍的电镜图ꎮ对图１进行分析得出ꎬ本次实验制备的Ａｌ２Ｏ３颗粒形状趋于球形并且呈均匀分布ꎬ粒径大小也符合实验要求ꎮ１.２㊀实验装置及实验方法图２为纳米流体池内沸腾强化传热实验台ꎬ主要由供电装置㊁冷热端电偶㊁温度采集装置㊁冷却水盘管㊁辅助加热系统㊁容器测温仪等构成ꎮ图２㊀池内沸腾强化传热实验台１－压力阀ꎻ２－测试点Ａꎻ３－冷凝器ꎻ４－测试点Ｂꎻ５－沸腾容器ꎻ６－热电偶ꎻ７－热电偶ꎻ８－试件ꎻ９－辅助加热器ꎻ１０－数据采集系统ꎻ１１－电源系统ꎻ１２－冷却水箱将试件本体放大ꎬ并显示其横截面剖面ꎬ如图３所示ꎮ将制备的Ａｌ２Ｏ３纳米流体放入容器中ꎬ通过试件传输热量ꎬ试件两端连接电极管ꎮ当纳米流体７０２达到饱和温度时(即产生汽泡)ꎬ调节电源电压ꎬ改变工作电流(１０~５５Ａ)ꎬ影响试件本体散热量ꎬ从而改变热流密度ꎮ由于试件端部的干扰因素多ꎬ因此测量ａ㊁ｂ两点的工作电压ꎬ从而间接确定试件散热量Ｑꎮ图３㊀试件本体放大图及剖面图为了探究Ａｌ２Ｏ３浓度㊁热流密度㊁工件壁厚三因素对池内沸腾传热换热系数的影响ꎬ需测出试件外壁温度ｔ２ꎬ但由于其外壁与纳米流体接触ꎬ很难直接测量ｔ２ꎬ故用式(１)计算ｔ２ｔ２＝ｔ１Ｑ２πλＬ１－２ｒ２１ｒ２２－ｒ２１ｌｎｒ２ｒ１æèçöø÷＝ｔ１－ξＱ(１)式中㊀λ 不锈钢管导热系数/Ｗ (ｍ２ Ｋ)－１ꎬλ＝１６.３Ｗ/(ｍ２Ｋ)ꎻＱ 试件ａｂ间的发热量ꎻＬ 试件热电偶测量区间长度ꎮξ＝１４πλＬ１－２ｒ２１ｒ２２－ｒ２１ｌｎｒ２ｒ１æèçöø÷(２)池内沸腾强化传热换热系数ｈ＝ＱＦΔｔ＝ｑ/(ｔ２－ｔｓ)(３)式中㊀Ｆ 试件受热面积/ｍ２ꎻｑ ａｂ段热流密度ꎬｑ＝Ｑ/ｍ２ꎻｔｓ 纳米流体的饱和温度/Ｋꎮ池内沸腾强化传热强化率η＝ｈｘ－ｈ０ｈ０ˑ１００％(４)式中㊀ｈｘ Ａｌ２Ｏ３－Ｈ２Ｏ纳米流体工质下池内沸腾换热系数/Ｗ ｍ－２ꎻｈ０ 纯水工质下池内沸腾换热系数/Ｗ ｍ－２ꎮ本实验所采用的热电偶误差为ʃ０.２Ｋꎬ纳米流体体积测量误差ʃ０.１ｍｌꎬ试件长度测量误差ʃ０.０１ｍｍꎬ试件直径测量误差ʃ０.０１ｍｍꎮ１.３㊀研究方法１.３.１㊀实验分析对池内沸腾强化换热实验反应过程中的主要影响因素(Ａｌ２Ｏ３浓度㊁热流密度㊁工件壁厚)进行初步选择ꎬ探究不同影响因素下对池内换热系数的影响ꎬ得到最佳的反应条件ꎮ１.３.２㊀响应曲面法优化池内沸腾强化传热实验中ꎬ实验条件的选择和优化对传热过程中的换热系数有着重要的影响[１９~２１]ꎮ由于响应曲面法具有精密的设计和分析ꎬ可为实验建立接近实际情况的多维空间曲面且所需试验数据相对较少ꎬ在实验模拟和优化条件方面得到广泛的应用[２２~２４]ꎮ采用响应曲面分析法Ｂｏｘ－Ｂｅｈｎｋｅｎ模型设计实验方案ꎬ模拟得到自变量:Ａｌ２Ｏ３浓度㊁热流密度㊁工件壁厚ꎮ模拟设置的响应值:强化率ꎬ设计三因素模型ꎬ对池内沸腾传热强化的最优实验条件进行分析和预测ꎮ２㊀结果和分析２.１㊀单因素条件分析２.１.１㊀Ａｌ２Ｏ３浓度对传热强化的影响纳米颗粒的浓度会对池内强化沸腾传热产生影响ꎬ不同的纳米颗粒浓度会对其对流换热产生不同效果ꎮ在热流密度７８０００Ｗ/ｍ２㊁壁厚０.４５ｍｍ时加入不同浓度的Ａｌ２Ｏ３纳米流体的池内沸腾换热实验ꎬ对应的强化率如图４所示ꎮ随着Ａｌ２Ｏ３纳米浓度的增加ꎬ强化率先增加后减少ꎮ当Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度为１ｗｔ％时ꎬ强化率达到最大值１０５％ꎮ图４㊀Ａｌ２Ｏ３浓度对强化率的影响在沸腾换热实验中当Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度低于１ｗｔ％ꎬ团聚体破环边界层稳定ꎬ对流动产生扰动ꎬ增大对流换热系数ꎬ提高传热效率ꎮ并且由于浓度不高ꎬ纳米颗粒的表面张力不大ꎬ所需的热度不高ꎮ因此随着Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度增大ꎬ换热系数不断增大ꎬ强化率提高ꎮ但如果继续提高纳米流体浓度会破坏其稳定性ꎬ产生沉降ꎬ从而导致气化核心点减少ꎬ池内气泡难以形成ꎬ扰动减少ꎬ对流换热系数降低ꎬ传热效率降低ꎮ因此当Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度高于１ｗｔ％时ꎬ增大流体浓度ꎬ会导致强化率降低ꎮ２.１.２㊀热流密度对传热强化的影响热流密度的大小也是池内传热效率的主要影响８０２因素之一ꎬ图５为Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度１ｗｔ％㊁壁厚０.４５ｍｍ时不同热流密度条件下池内沸腾传热强化率影响情况ꎮ随着热流密度的加强ꎬ强化率呈现出先增大后减小的情况ꎮ当热流密度为７８０００Ｗ/ｍ２时ꎬ强化率达到峰值１０５％ꎮ图５㊀热流密度对强化率的影响在池内沸腾换热实验中ꎬ随着热流密度的增大ꎬ壁面汽泡产生数量也急剧增加ꎬ并在池内不断长大ꎬ最终破裂ꎬ这对流体会产生剧烈的扰动ꎬ增大对流换热系数ꎮ当热流密度达到一定临界值时ꎬ产生的大量汽泡会在壁面形成汽膜ꎬ阻碍新的汽泡产生ꎬ又由于汽膜的导热率很低ꎬ因此对流换热随之减小ꎬ从而强化率降低ꎮ２.１.３㊀壁厚对传热强化的影响图６为Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度１ｗｔ％㊁热流密度７８０００Ｗ/ｍ２时不同壁厚条件下池内沸腾传热强化率影响情况ꎮ随着壁厚的增加ꎬ对流换热系数呈现下降趋势ꎬ强化率逐渐降低ꎬ壁厚为０.４５ｍｍ时ꎬ强化率达到最大值１０５％ꎮ图６㊀壁厚对强化率的影响在池内沸腾换热实验中ꎬ壁厚的增加会导致热阻的增大ꎬ由试件内部的热量传导到外部的传导率ꎬ导致试件表面温度和纳米流体的温差缩小ꎬ最终使沸腾换热系数降低ꎬ强化率降低ꎮ当壁厚低于０.４５ｍｍ时ꎬ可能会导致工件本体烧毁ꎮ２.２㊀池内沸腾换热实验条件的曲面响应优化２.２.１㊀实验设置与传热强化结果根据单因素条件分析ꎬ池内沸腾强化换热实验中ꎬＡｌ２Ｏ３纳米流体浓度为１ｗｔ％时ꎬ强化率达到最大值ꎻ热流密度为７８０００Ｗ/ｍ２时ꎬ强化率达到峰值ꎻ壁厚为０.４５ｍｍ时ꎬ强化率达到最大值１０５％ꎮ得出优化设计单因素实验范围ꎬ如表１所示ꎮ表１㊀ＢＢＤ单因素设计Ｎｏ.影响因素水平因素－１１ａＡｌ２Ｏ３质量浓度/ｗｔ％０.１２ｂ热流密度/Ｗ ｍ－２５２０００１０４０００ｃ壁厚/ｍｍ０.４５０.６５㊀㊀如表２ꎬ通过对单因素的优化设计ꎬＢＢＤ设计出１７组交互试验条件ꎬ按照交互试验条件进行池内沸腾换热试验ꎬ得到强化率结果ꎮ表２㊀优化交互试验条件与强化率响应值Ｎｏ.ａｂｃηＡｌ２Ｏ３质量浓度/ｗｔ％热流密度/Ｗ ｍ－２壁厚/ｍｍ强化率/[％]１０.１１０４００００.４５４６２１５２００００.６５１２３０.１７８００００.６５１５４１５２００００.５５２２５１７８００００.４５１０５６０.１５２００００.４５３５７２５２００００.４５５４８１１０４００００.５５２５９２１０４００００.４５６４１０１７８００００.４５１０３１１０.１７８００００.５５１８１２２７８００００.６５１２１３１７８００００.４５１０７１４２７８００００.５５２０１５１７８００００.４５１０４１６１５２００００.６５１２１７１７８００００.４５１０８２.２.２㊀方差分析和回归方程表３为池内沸腾强化传热强化率(响应值)的回归方差分析结果ꎮ在ＢＢＤ模拟中Ｐｒｏｂ>Ｆ可用来判断强化率与回归方程是否显著的标准ꎮ当Ｐ－ｖａｌｕｅɤ０.０５时ꎬ自变量对响应值影响显著ꎮ９０２表３㊀回归方差分析Ｓｏｕｒｃｅ平方和自由度均方差Ｆ－ｖａｌｕｅＰ－ｖａｌｕｅｐｒｏｂ>ＦＭｏｄｅｌ２４２２２.６０９２６９１.４０４２４.９０<０.０００１(显著)Ａ－浓度４４.２７１４４.２７６.９９０.０１０３Ｂ－热流密度１７５０.６２１１７５０.６２２７６.３７０.０２５３Ｃ－壁厚７３.１８１７３.１８１１.５５０.０１１５ＡＢ０.１２１０.１２０.０１８０.００２５ＡＣ１７３.６８１１７３.６８２７.４２０.００１２ＢＣ１０.７５１１０.７５１.７００.２３３９Ａ２３６８４.１２１３６８４.１２５８１.６２<０.０００１Ｂ２３０３４.０１１３０３４.０１４７８.９９<０.０００１Ｃ２１７８５.８２１１７８５.８２２８１.９３<０.０００１Ｒｅｓｉｄｕａｌ４４.３４７６.３３ＬａｃｋｏｆＦｉｔ２７.１７４６.７９１.１９０.４６２４(不显著)Ｐｕｒｅｅｒｒｏｒ１７.１７３５.７２Ｃｏｒｔｏｔａｌ２４２６６.９４１６㊀㊀从表３可得ꎬ实验模型Ｐ值小于０.０００１ꎬ模型将实验数据模拟程度高ꎬ且各因素对强化率的影响显著ꎬ其中自变量Ａ㊁Ｂ㊁Ｃ㊁ＡＣ(浓度与壁厚的交互作用)对强化率(响应值)影响较为显著ꎬ且Ｂ(热流密度)的Ｐ值小于０.０００１ꎬ表示Ｂ对强化率的影响极为显著ꎻ失拟值ＬａｃｋｏｆＦｉｔ的Ｐ值为０.４６２４影响不显著ꎬ表示用回归法拟合数据所得的回归方程ꎬ实验误差小ꎬ拟合程度好ꎮ表３的数据ꎬ采用回归法拟合所得的回归方程为:η＝３２.６６＋３.６３Ａ＋４２.９９Ｂ－９.３８Ｃ－０.２７ＡＢ－８.８９ＡＣ－３.１１ＢＣ－３２.９３Ａ２－５９.８６Ｂ２＋５５.４９Ｃ２图７㊀实验数据与模拟数据拟合图图７为实验数据与模拟拟合程度关系图ꎬ图中１７个点为池内沸腾强化传热实验数据ꎮ从图７可以看出ꎬ实验数据围绕着预测值与预测值接近ꎬ实验拟合程度高ꎬ可信度高ꎮ２.２.３㊀实验模型响应曲面分析响应曲面根据模型回归方程模拟得出三因素之间两两交互作用对响应值影响的３Ｄ曲面和２Ｄ曲面效果图ꎬ通过效果图可分析两两因素交互作用明显程度和单因素对响应值的影响程度ꎮ图８㊀浓度与壁厚交互作用对池内沸腾传热强化率影响图８(ａ)和图８(ｂ)为Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度和壁厚对强化率的影响ꎮ从图８(ａ)可得Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度与壁厚有一定交互作用ꎬ与回归方差分析中Ｐ－ｖａｌｕｅｐｒｏｂ>Ｆ值:０.００１２(<<０.０５)相对应ꎮ图８(ｂ)可看出在低壁厚区等高线较为密集ꎬ而随着壁厚的增加等高线先变稀疏后逐渐密集ꎬ呈现不对称分布ꎬ也验证了ＡＣ之间有一定交互作用ꎮ随着浓度的增加强化率先增大后减小存在峰值ꎬ与单因０１２素分析一致ꎬ随着壁厚的增大曲面坡度降低ꎬ表示强化率也逐渐降低ꎮ从壁厚变化和纳米流体浓度变化曲面坡度看ꎬ两者变化相近ꎬ这与方差分析中Ａ的Ｐ值０.０１０３和Ｃ的Ｐ值０.０１１５相近一致ꎮ图９㊀壁厚与热流密度交互作用对池内沸腾传热强化率的影响图９(ａ)和图９(ｂ)为工件壁厚和热流密度对强化率的影响ꎮ在图９(ａ)中壁厚不变时ꎬ沿热流密度方向ꎬ曲面接近 拱桥 形ꎬ可得ＢＣ之间没有交互作用ꎮ热流密度在６３０９０~１１４６９０Ｗ/ｍ２范围内壁厚在０.４５~０.６０ｍｍ范围内ꎬ存在最优结果ꎮ从图９(ｂ)显示ꎬ强化率的等高线对称ꎬ两者不存在交互作用ꎬ这与回归方差分析中Ｐ－ｖａｌｕｅｐｒｏｂ>Ｆ值:０.２３３９(>>０.０５)一致ꎮ图１０(ａ)和图１０(ｂ)为浓度和热流密度对强化率的影响ꎮ从图１０(ａ)可得ꎬＡＢ两因数对强化率影响相似ꎬ随着ＡＢ因素的提高ꎬ传热强化效果出现极值ꎮ在热流密度在６３０９０~１１４６９０Ｗ/ｍ２范围ꎬ浓度在０.５８~１.５８范围时ꎬ出现最优结果ꎮ在图１０(ｂ)可知ꎬ浓度与热流密度交互作用等高线图呈椭圆形ꎬ说明两者交互显著ꎮ从等高线变化趋势可知ꎬ两者对强化率的影响显著ꎬ但等高线靠近浓度方向比靠近热流密度方向较为密集ꎬ从而纳米流体浓度相比热流密度对沸腾强化作用显著ꎬ这与回归方差分析中Ａ的Ｐ值０.０１０３小于Ｂ的Ｐ值０.０２５３一致ꎮ从曲面响应分析和单因素分析ꎬ纳米流体浓度㊁图１０㊀浓度与热流密度交互作用对池内沸腾传热强化率的影响工件壁厚㊁热流密度对池内沸腾传热强化均有影响ꎮ总结上述分析ꎬ３个因数对强化率影响作用大小为:Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度>工件壁厚>热流密度ꎻ且Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度与热流密度交互对强化率最为显著ꎮ２.２.４㊀最佳池内沸腾条件优化表４㊀最优池内沸腾强化因数浓度热流密度壁厚强化率Ｄｅｓｉｒａｂｉｌｉｔｙ实验值１１.２８３５４３０.４５１０７０.４３９最优条件１０６２１.１８６９５４０.４５１０６０.４３９１０５３１.３８１１９７０.４５１０５０.４３８１０４㊀㊀响应曲面软件根据模型模拟最优实验条件ꎬ如表４所示(只列出前３优化条件)ꎮ软件给出最优模拟条件:浓度１.２ｗｔ％㊁热流密度８３５４３Ｗ/ｍ２㊁壁厚０.４５ｍｍꎬ模拟结果强化率为１０７％ꎮ根据模拟所得最优实验条件进行实验验证ꎬ实验得强化率为１０６％ꎮ可以看出实验结果与模拟结果相差０ ０１ꎬ与预测接近ꎬ软件模拟模型可信度高ꎮ同时可得ꎬ单因素分析最佳条件并不是实验最优条件ꎬ这是因为实验中因数之间的存在交互作用ꎮ３㊀结论(１)通过单因素分析纳米流体池内沸腾换热实验影响因数ꎬ得出随着Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度的增加ꎬ强化率呈现出先增大后减小的趋势ꎬ当Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度为１ｗｔ％时ꎬ强化率达到最大值１０５％ꎻ随１１２着热流密度的提高ꎬ换热强化率同样呈现先增大后减小的趋势ꎬ当热流密度为７８０００Ｗ/ｍ２时ꎬ强化率达到峰值ꎻ随着工件壁厚的增大ꎬ强化率呈现下降趋势ꎬ在壁厚为０.４５ｍｍ时ꎬ强化率达到最大值ꎮ(２)通过响应曲面对实验三因素优化分析ꎬ得出３个影响因素对强化率的影响大小为:Ａｌ２Ｏ３纳米流体浓度>工件壁厚>热流密度ꎻ并且通过响应曲面分析因数之间交互作用ꎬＡｌ２Ｏ３纳米流体浓度与热流密度交互作用对强化率最为显著ꎮ(３)通过响应曲面预测池内沸腾换热强化最优条件为:浓度１.２ｗｔ％㊁热流密度８３５４３Ｗ/ｍ２㊁壁厚０.４５ｍｍꎬ模拟结果强化率为１０７％ꎮ按照模拟最优条件进行实验验证ꎬ所得实验结果强化率１０６％与模拟预测结果相差０.０１ꎬ与预测接近ꎬ证明本次模型可信度及合理性高ꎮ参考文献[１]ＣｈｏｉＳＵＳꎬＥａｓｔｍａｎＪＡ.ＥｎｈａｎｃｉｎｇＴｈｒｅｍａｌＣｏｎｄｕｃ￣ｔｉｖｉｔｙｏｆＦｕｉｌｄｓｗｉｔｈＮａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ[Ｊ].ＡＳＭＡＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎＭｅ￣ｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｇｒｅｓｓａｎｄＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎꎬ１９９５. [２]ＮａｄｅｅｍＡｂｂａｓꎻＳ.ＳａｌｅｅｍꎻＳ.ＮａｄｅｅｍꎻＡ.Ａ.Ａｌｄｅｒｒｅ￣ｍｙꎻＡ.Ｕ.Ｋｈａｎ.ＯｎＳｔａｇｎａｔｉｏｎＰｏｉｎｔＦｌｏｗｏｆａＭｉｃｒｏＰｏｌａｒＮａｎｏｆｌｕｉｄＰａｓｔａＣｉｒｃｕｌａｒＣｙｌｉｎｄｅｒｗｉｔｈＶｅｌｏｃｉｔｙａｎｄＴｈｅｒｍａｌＳｌｉｐ[Ｊ].ＲｅｓｕｌｔｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓꎬ２０１８ꎬＶｏｌ.９[３]ＹｉｐｉｎｇＤａｉꎬＪｉａｎｇｆｅｎｇＷａｎｇꎬＬｉｎＧａｏ.ＰａｒａｍｅｔｒｉｃＯｐ￣ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＳｔｕｄｙｏｆＯｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅＣｙｃｌｅ(ＯＲＣ)ｆｏｒＬｏｗＧｒａｄｅＷａｓｔｅＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙ.ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒ￣ｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔꎬ２００９ꎬ５０.[４]ＢａｓｈｔｏｖｏｉＶＧꎬＣｈａｌｌａｎｔＢꎬＶｏｌｋｏｖａＯＹｕ.ＢｏｉｌｉｎｇＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｉｎＭａｇｎｅｔｉｃＦｌｕｉｄｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｇｎｅｔｉｓｍａｎｄＭａｇｎｅｔｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓꎬ１９９３(１２２):３０５－３０８.[５]ＵｌｌｉＤｒｅｓｃｈｅｒꎬＤｉｅｔｅｒＢｒｕｇｇｅｍａｎｎ.ＦｌｕｉｄＳｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅＯｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅＣｙｃｌｅ(ＯＲＣ)ｉｎＢｉｏｍａｓｓＰｏｗｅｒａｎｄＨｅａｔＰｌａｎｔｓ.ＡｐｐｌｉｅｄＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００７(２７):２２３－２２８. [６]Ｃ.Ｇ.ＪｏｔｈｉＰｒａｋａｓｈꎬＲ.Ｐｒａｓａｎｔｈ.ＥｎｈａｎｃｅｄＢｏｉｌｉｎｇＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｂｙＮａｎｏＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄＳｕｒｆａｃｅｓａｎｄＮａｎｏｆｌｕｉｄｓ[Ｊ].ＲｅｎｅｗａｂｌｅａｎｄＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＲｅｖｉｅｗｓꎬ２０１８ꎬ８２. [７]Ｓ.ＳｏｌｔａｎｉꎬＳ.Ｇｈ.ＥｔｅｍａｄꎬＪ.Ｔｈｉｂａｕｌｔ.ＰｏｏｌＢｏｉｌｉｎｇＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｏｆＮｏｎ－ｎｅｗｔｏｎｉａｎＮａｎｏｆｌｕｉｄｓ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＨｅａｔａｎｄＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒꎬ２００９ꎬ３７(１). [８]Ｍ.Ｍ.ＳａｒａｆｒａｚꎬＦ.Ｈｏｒｍｏｚｉ.ＮｕｃｌｅａｔｅＰｏｏｌＢｏｉｌｉｎｇＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＤｉｌｕｔｅＡｌ２Ｏ３－ｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＨｅａｔａｎｄＭａｓｓＴｒａｎｓｆｅｒꎬ２０１４ꎬ５８.[９]罗小平ꎬ彭子哲ꎬ李海燕.微细通道内表面活性剂对Ａｌ２Ｏ３/Ｒ１４１ｂ流动沸腾传热的影响[Ｊ].华南理工大学学报(自然科学版)ꎬ２０１９ꎬ４７(５):１－８ꎬ１５５.[１０]刘藏丹ꎬ王东民ꎬ全晓军ꎬ等.纳米颗粒及其接触角对沸腾传热系数的影响[Ｊ].动力工程学报ꎬ２０１８ꎬ３８(７):５７２－５７７.[１１]宫玉英ꎬ刘宗明ꎬ吴波ꎬ等.正交试验设计制备Ａｌ２Ｏ３/乙二醇纳米流体[Ｊ].硅酸盐通报ꎬ２０１４ꎬ３３(５):１１９８－１２０２.[１２]李金凯ꎬ赵蔚琳ꎬ刘宗明ꎬ等.低浓度Ａｌ２Ｏ３－水纳米流体制备及导热性能测试[Ｊ].硅酸盐通报ꎬ２０１０ꎬ２９(１):２０４－２０８.[１３]姜博ꎬ雷卫宁ꎬ刘维桥ꎬ等.超临界流体制备纳米Ａｌ２Ｏ３/镍基复合电铸层及其微观结构和显微硬度[Ｊ].机械工程材料ꎬ２０１３ꎬ３７(３):５８－６０ꎬ７９.[１４]马林ꎬ陶冲ꎬ王昭利ꎬ等.曲面响应法优化氧化铝Ｒ１４１ｂ基纳米流体制备工艺研究[Ｊ].材料导报ꎬ２０１６ꎬ３０(Ｓ２):５－９ꎬ１４.[１５]ＪｉｎＷａｎｇꎬＧｕｏｌｏｎｇＬｉꎬＴａｎＬｉꎬＭｉｎＺｅｎｇ.ＢｅｎｇｔＳｕｎｄéｎ.ＥｆｅｃｔｏｆＶａｒｉｏｕｓＳｕｒｆａｃｔａｎｔｓｏｎＳｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄＴｈｅｒｍｏｓＰｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＮａｎｏｆｕｉｄｓ[Ｊ].ＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣａｌｏ￣ｒｉｍｅｔｒｙꎬ２０２０.[１６]朱冬生ꎬ李新芳ꎬ王先菊ꎬ等.氧化铝~水纳米流体的制备及其分散性研究[Ｊ].化工新型材料２００７ꎬ３５(９). [１７]谢宁ꎬ胡亚才ꎬ俞自涛ꎬ等.基于均匀设计法的Ａｌ２Ｏ３纳米流体稳定性影响因素的实验研究[Ｊ].能源工程ꎬ２０１０(２).[１８]左瑞良ꎬ董超ꎬ徐萌. 两步法 纳米流体的制备[Ｊ].科技经济导刊ꎬ２０１７(３４):９０.[１９]李增恩.水基纳米流体大容积沸腾换热特性分析[Ｄ].昆明:昆明理工大学ꎬ２０１９.[２０]王东民ꎬ全晓军ꎬ李金京.纳米流体强化沸腾换热研究进展[Ｊ].中国材料进展ꎬ２０１８ꎬ３７(１２):１０３３－１０３８ꎬ１０４７.[２１]李增恩ꎬ何屏ꎬ梁美玲ꎬ等.水基纳米流体大容积沸腾换热特性分析[Ｊ].中国电机工程学报ꎬ２０１８ꎬ３８(２３):６９９４－７００３ꎬ７１３３.[２２]劳德平ꎬ丁书强ꎬ倪文ꎬ等.响应面优化制备粉煤灰基ＰＡＳＣ混凝剂性能与表征[Ｊ].中国环境科学ꎬ２０１８ꎬ３８(１２):４５９９－４６０７.[２３]万佶芃ꎬ胡艳玲ꎬ唐晓宁ꎬ等.浸渍吸附法制备Ａｇ－ＳｉＯ２纳米复合抗菌材料的条件优化[Ｊ].人工晶体学报ꎬ２０１８ꎬ４７(１２):２４８９－２４９７ꎬ２５０３.[２４]屠兰英ꎬ曹建芳ꎬ赵启文ꎬ等.基于Ｂｏｘ－Ｂｅｈｎｋｅｎ响应曲面法的硫酸钾盐垢结垢速率影响参数研究[Ｊ].无机盐工业ꎬ２０１８ꎬ５０(１０):１７－２０.２１２。
管内对流换热影响因素及其强化分析
管内对流换热影响因素及其强化分析摘要: 从影响管内对流换热的因素出发，对近年来国内外学者的研究成果进行了综合分析，包括管内流体流动状态、表面形状、物性、脉动等对管内对流换热的影响。
介绍了利用缩放管、金属泡沫管、纳米流体、高压电场等强化换热的方法。
对中高温太阳能热利用系统中大温差管内对流换热的应用及其强化方法进行了展望。
关键词：管内；对流；换热；强化换热Influencing Factors and Enhancing Methods ofConvective Heat Transfer in TubesLei ChangkuiSafety Engineering Class 1002 1003070210Abstract: Some factors were summarized systematically according to the research in China and abroad in recent years, including convection flow state,phase-transformation,geometric factors, fluid pulse, fluid physical properties and viscosities. At the same time,some methods of enhancing heat transfer in tubes were also summarized,such as additives,electro-hydro-dynamical,metal foam filled pipes etc.Finally,the characteristics and the method of heat transfer enhancement were analyzed in high-medium temperature solar power systems.Key Words: tube,convection,heat transfer,heat transfer enhancing0 引言管内对流换热过程广泛存在于化工、动力、制冷及太阳能热利用等工程技术领域的各种热交换设备中，是一个传热温差和流体流动阻力并存且相互影响的复杂传热过程。
纳米流体传热强化机理描述
纳米流体传热强化机理描述引言纳米流体传热强化是当前研究领域中的热点课题之一。
随着纳米技术的发展与应用，人们对纳米流体传热强化机理的研究不断深入，取得了一系列重要的成果。
纳米流体传热强化机理的描述是理解并优化纳米流体传热过程的关键一步。
本文将分析和讨论纳米流体传热强化机理的几个主要方面，为相关研究提供参考。
纳米流体的特性纳米流体是由纳米颗粒均匀分散在基础流体中形成的复合流体。
与传统流体相比，纳米流体具有许多独特的特性。
首先，纳米颗粒具有较大的比表面积，可以提供更多的表面与流体接触，增强了传热性能。
其次，纳米颗粒的大小亚微米级别，具有与传统流体相比更小的热质量，使其具有更大的热扩散系数。
此外，纳米流体还表现出高稳定性、良好的可逆性和可控性等特点。
纳米颗粒的传热机制纳米颗粒与流体之间存在着多种传热机制，包括纳米颗粒的尺寸效应、纳米颗粒的热物理性质以及纳米颗粒与流体之间的相互作用等。
首先，纳米颗粒的尺寸效应对纳米流体的传热性能有显著影响。
由于纳米颗粒的尺寸小于传统流体中热扩散长度尺度，纳米颗粒的热扩散系数相对较大，有利于快速传导热量。
此外，纳米颗粒的较大比表面积增强了与流体之间的接触面积，进一步提高了传热性能。
其次，纳米颗粒的热物理性质也对纳米流体的传热机制起到重要作用。
纳米颗粒的热导率较高，使得其快速传热成为可能。
而纳米颗粒的比热容相对较小，使得纳米流体在传热过程中温度升高幅度较小。
最后，纳米颗粒与流体之间的相互作用对纳米流体的传热性能具有重要影响。
纳米颗粒可以与流体形成有效的热对转移机制，增加传热界面的热阻。
此外，纳米颗粒还可以作为传热增强剂，在流体中形成微观结构，进一步增强传热效果。
纳米流体的传热增强机制纳米流体传热强化主要体现在两个方面：纳米颗粒的机械增强作用和纳米颗粒的界面效应增强作用。
纳米颗粒的机械增强作用是指纳米颗粒与流体之间的相互作用增加了流体的混合程度，进而增强了传热性能。
当纳米颗粒的浓度较低时，纳米颗粒可以促进流体的对流性能，增加了传热与流体的交换程度。
纳米流体及表面活性剂对沸腾换热的影响
3.添加外表活性剂强化换热
➢ Zhang和Manglik等研究了活性剂溶液在沸腾表面的润湿 特性，发现当活性剂溶液质量分数达到一定值后，溶液 在沸腾表面的接触角会有最低值且不再随质量分数的增 加而升高
效果
刘振华等
20092010
CuO-水 碳纳米管-水
水平方形铜表面
强化
Kathiravan等 2010
Cu-水
水平方形不锈钢表面
恶化
Kwark 等 Soltani等 Suriyawong等
You等 Kim等
Jr等
2010 2010 2010 2003 2004
2005
Al2O3-水 Al2O3-水
TiO2-水
纳米流体对池内沸腾沸腾换热系数的影响（1）
4作.纳者 米流体年份强化纳换米流热体
李春辉等
2005
SiO2-水
传热面
水平铂丝表面 水平圆管D 20 mm
施明恒等
2002-2006
Fe-水 Al2O3-水
水平圆形铜表面
周定纬等 2001-2004 Cu-丙酮 水平铜管表D20-d16mm
Wen等
2005
2.常用强化换热方法
沸腾换热强化管外表结构示意
3.添加外表活性剂强化换热
外 表 活 性 剂
活性剂 是一大类有机化合物，包括疏水 基团和亲水基团两局部，添加使用时会 形成胶束，溶液中开始形成胶束的最低 活性剂浓度称临界胶束浓度(CMC)
纳米流体强化传热的试验研究
纳米流体强化传热的试验研究采用对照试验法探索CU水纳米流体传热的特性。
纳米流体强化传热的主要原因除了在液体中添加纳米粒子，增加了液体的热容量、导热系数外，粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，也使传热增强，而且由于纳米粒子的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，不会像毫米或微米级粒子易产生磨损或堵塞等不良结果。
[1]纳米粒子的浓度不同导致流体内粒子数不同，粒子与粒子间相互作用增强，从而使换热增强。
标签：纳米流体；对比试验；强化换热1 概述纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或者金属氧化物粒子，形成一类新的传热工质。
作为一种高效的热交换介质，纳米流体是一个具有重大研究价值的领域。
与在流体中添加毫米或微米级粒子相比，纳米流体在强化换热方面有着更大的前景。
此次實验是为了验证Cu水纳米流体具有高效导热性能，证明其在大型空调设备中有应用的可能。
在空调系统中，通过制冷机组的运转，进入蒸发器内的制冷剂蒸发而吸热，当通入蒸发器内冷水即很快在蒸发器内进行热量交换，热量被制冷剂吸收，温度下降成为冷冻水。
然后冷冻水再通过空调设备中的表冷器与被处理的空气进行热交换，使空气温度降低。
而在这一种制冷循环和热量交换过程中，其冷量的这种远距离的传递而达到空调系统中空气降温要求，必须有水和空气为冷媒。
冷媒在冷却空调系统中，用于传递热量，产生冷冻效果，是一种中间物质。
在实际系统之中，冷媒先接受制冷剂冷量而降温，再去冷却其他的被冷却物质，其导热性能至关重要。
[2]2 纳米流体换热性能实验模型图1所示，纳米流体的传热换热对比实验测试装置是一个流动的循环系统，它是由热源水箱、水泵、管路、冷却水箱、散热器等实验要素组成。
本次实验的目的是验证Cu水纳米流体较水具有更好的导热性能。
热源水箱和冷源水箱用来储放并观测纳米流体在试验中的悬浮情况；散热器是一个可调节风扇，用于保持对比实验时对冷却水箱持续稳定的风冷；主流路中的两个小泵浦保证系统处于一个流动循环状态。
《2024年微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言在科技日益发展的今天，微纳米技术的发展与纳米科学技术的广泛应用正引发科研人员极大的关注。
这其中，关于微管道中纳米流体流动与传热的研究尤为重要。
微管道的尺度缩小为纳米级别，为流体的流动与传热提供了全新的研究平台。
本文旨在深入探讨微管道中纳米流体的流动特性及其传热机制，为进一步优化微纳流体技术提供理论支持。
二、微管道中纳米流体的流动特性1. 纳米流体的定义与特性纳米流体是一种新型的流体材料，其基本特性在于其内部含有纳米级别的固体颗粒。
这些颗粒的尺寸远小于传统流体的颗粒，因此具有独特的物理和化学性质。
在微管道中，这些纳米颗粒的分布和运动对流体的整体流动特性产生重要影响。
2. 流动特性分析在微管道中，由于尺度效应和表面效应的作用，纳米流体的流动特性与传统的流体有很大的差异。
流体的速度分布、粘度变化、剪切力分布等因素均需重新考量。
研究人员利用高精度的实验设备与计算流体动力学模型（CFD）等手段，对这些特性进行深入的分析和研究。
三、微管道中纳米流体的传热机制1. 传热特性的影响因素微管道中的纳米流体由于其高比热容和优良的热导率，具有显著的传热特性。
其传热性能受多种因素影响，包括纳米颗粒的种类、大小、形状以及浓度等。
此外，流体的流动状态和微管道的材质和结构也对传热效果有重要影响。
2. 传热机制的研究方法研究人员通过实验研究和数值模拟两种方式对微管道中纳米流体的传热机制进行研究。
实验研究通过观察和分析流体的温度分布、热流密度等参数，揭示其传热机制。
数值模拟则通过建立复杂的物理模型，模拟流体的传热过程，从而预测和解释实验结果。
四、研究进展与展望随着科技的发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究已经取得了显著的进展。
研究者们通过多种方法，揭示了纳米流体在微管道中的流动特性和传热机制。
同时，新的研究方法和手段也不断涌现，如高精度测量技术的开发、新的数值模拟算法等，这些都为深入研究提供了强大的技术支持。
纳米流体在使用两相模型波浪通道内紊流强制对流
纳米流体在使用两相模型波浪通道内紊流强制对流两相混合物模型被用于数值模拟的Al2O3-动荡的强制对流水纳米流体在波状挡边通道下恒热流。
这两种混合和单相模式实施研究在这样的纳米流体流动几何形状和结果进行了比较。
的影响纳米颗粒的体积分数，雷诺数和波纹壁传热速率的振幅进行了研究。
结果表明，随着纳米颗粒的体积分数，雷诺数和振幅壁波，传热率增加。
高努塞尔数比在单相模式类似的案例。
Introduction传热系统的优化是一个显著的问题在许多工程应用中，特别是那些采用紧凑式换热器。
用波浪渠道，作为一种被动方法是一种廉价的和适宜的方式以增加在紧凑式换热传热率热交换器。
波浪渠道防止发展流通过扰乱流场和边界层和也提高较高和较低温度的混合流，这有助于提高传热。
几何形状和结果进行了比较。
的影响纳米颗粒的体积分数，雷诺数和波纹壁传热速率的振幅进行了研究。
结果表明，随着纳米颗粒的体积分数，雷诺数和振幅壁波，传热率增加。
还结果表明，该混合模型产生于高努塞尔数比在单相模式类似的案例。
另一方面，紊流是非常重要的从科学和工程的角度来看，因为它通常发生在许多工业应用中，如热交换器，制冷系统，燃气涡轮机和核反应堆。
王和陈[1]研究了热传递率在在层流政权统一的正弦波纹通道壁温。
他们发现，通过增大雷诺数数和普朗特数都热的速率传输和表面摩擦的增加，并且没有显著强化传热在较小的幅度波长。
在类似的情况下，穆罕默德等人。
[2]数值研究层流强制对流在波浪的入口区域墙通道恒定壁面热流。
雷诺数是在100-1500的范围和幅度表面为0和0.5之间。
他们的研究结果表明：的剪切应力和努塞尔数随增大雷诺数和最高幅度发生在入口区域。
Zhang等人。
[3]研究了数值的热传递增强的Al2O3-水纳米流体的自然对流在加热波浪腔。
他们研究的影响瑞利数，波浪墙和体积的幅度在流场和温度纳米流体的部分分布。
他们报道了这些参数的影响都在流场更有效的比对温度分布。
拉希米等。
[4]，研究了湍流强制对流在一个会聚的正弦通道射流数值。
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纳米流体及纳米表面的管内对流强化传热
宏观尺度强化传热技术的发展已达到一定高度,并接近饱和；微米／纳米尺度的新技术、新材料、新方法能够提供宏观尺度下难以实现的优势,已经成为强化传热学科纵深发展的新动力。
本文的研究目的是,通过采用微米／纳米尺度的强化传热技术,对管内单相对流换热及流动沸腾换热的基本物理现象及其强化机理有更深入的理解,以为新型微纳结构强化技术的开发提供数据支持与理论指导。
本文的基本内容是以纳米流体的单相对流换热为出发点,探究纳米流体与传热界面的相互作用,基于纳米流体对传热表面的改造机理,将研究扩展到纳米表
面的微细通道流动沸腾换热。
本文首先对纳米流体和微纳结构工程表面的研究现状作了详尽的综述和分析,从中发现若干主题亟待研究：纳米流体的混合对流、一步法纳米流体对流换热、活性剂对换热的影响、纳米工程表面运用于微细通道沸腾传热。
对于纳米流体在大管径横管内的混合对流,本文系统地研究了二氧化硅纳米颗粒原生粒径、颗粒体积浓度、基液粘度和普朗特数等参数对于管内层流混合对流换热的影响,纳米流体混合对流换热相对于基液出现了恶化,采用混合对流判
别数和均相模型统一解释了纳米流体的混合对流传热特性。
采用一步湿化学法制备了较大量稳定的二氧化硅纳米流体,在细通道内分别就其层流、湍流、混合对流进行了对流换热系数的测试,考虑热物性的改变后,其对流换热系数可以用传
统的关联式预测,并不存在奇异的强化效应。
一步法纳米流体无需使用表面活性剂,然而两步法必须采用活性剂才能稳定,这将对实验产生干扰。
本文通过实验论证了表面活性剂SDBS对于细通道内流动沸腾换热的影响,活性剂溶液的表面张力大大降低,可以减小沸腾换热中汽泡的
尺寸,减轻细通道中汽泡的融合以及局部干涸,减缓换热系数随干度的增加而急剧恶化的趋势。
纳米工程表面技术可视为对纳米流体的扬弃,特别适用于微细通道内流动沸腾换热的强化。
本文搭建了适用于测试可控参数微纳结构表面的微细窄通道流动沸腾测试系统,结合高速摄像系统,对过冷沸腾和饱和沸腾中的局部干涸和重新润湿现象进行了可视化流型观察,研究了流速、热流和干度等参数对换热机理的影响。
采用PECVD制备了二氧化硅表面,发现沉积层的厚度对于表面的亲疏水特性有重要影响,当沉积厚度为100nm时,表面呈现超亲水特性。
采用超亲水纳米二氧化硅表面用于微细窄通道内饱和沸腾换热,可改变环形流的液膜分布,在干度提高时可避免微细通道中常出现的传热恶化现象。