纳米流体沸腾传热研究进展
微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展
第57卷第12期 2020年12月撳纳电子技术Micronanoelectronic TechnologyVol.57 No. 12December 2020微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展曹泷1，杨辉S吴学红\周振华2(1.郑州轻工业大学能源与动力工程学院，郑州 450002;2.郑州地铁集团有限公司，郑州 450016)摘要：综述了微纳结构沸腾表面的构建方法及强化性能最新研究进展，根据表面结构形式，将其 分为纳米结构表面、微米结构表面、多孔表面和微/纳复合表面。
纳米结构表面主要采用化学方法构建，可有效增强表面气泡成核及脱离频率。
微米结构表面多采用刻蚀法和沉积法进行构建，增加了表面有效传热面积。
多孔表面一般采用烧结成型，增加了表面有效传热面积以及核化点密 度。
微/纳复合表面在沸腾过程不同尺度下强化了传热性能，可实现稳定核态沸腾，是今后沸腾 表面研究的发展方向。
关键词：沸腾表面；微纳结构；烧结；蚀刻；自组装；强化传热中图分类号：T K124 文献标识码：A文章编号：1671-4776 (2020) 12-(>982-10Research Progress of the Construction and Heat TransferCharacteristics of Boiling Surfaces with Micro-Nano StructuresCao Shuang1 ,Yang Hui1 ,Wu Xuehong1 ,Zhou Zhenhua2(1. School o f E nergy and Puzver E ngineering, Zhengzhou U niversity o f L ig h t Industry Zhengzhou450002, C hina；2. Zhengzhou M etro Group Co., Ltd., Zhengzhou450016, China)Abstract：The latest research progresses of the construction method and heat transfer enhancement characteristics of the boiling surfaces with micro-nano structures are reviewed.According to the forms of the surface structure,the boiling surfaces are classified into nanostructure surfaces,micro-structure surfaces,porous surfaces and micro-nano composite surfaces.The nano-structure surfaces are mainly constructed by chemical m ethods,which can effectively increase the surface bubbles nucleation and separation frequencies.Etching and deposition methods are often used to construct the micro-structure surfaces,which can increase the surface effective heat transfer area.The porous surfaces are usually sintered to increase the surface effective heat transfer area and nucleating point density.The micro-nano composite surfaces can enhance the heat transfer performance at different scales in the boiling process and realize stable nucleate boiling,which is a development trend of the boiling surface research in the future.Key words：boiling surface；micro-nano structure；sintering；etching；self-assembly；heat transfer enhancement收稿日期：2020-05-26基金项目：国家自然科学基金资助项目（51(川6231);河南省髙等学校重点科研项目（2()A47()(n2);郑州轻工业大学众创空间孵化项目(2019ZCK J106)E-mail ：caos@982曹泷等：微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展DOI：10. 13250/ki.wndz.2020. 12. 005 PACC：4430()引百沸腾传热作为一种伴随着气液相变的高效能量 传递方式，具有传热温差小和热流密度大等特点，由于微电子器件小型化及集成度高的发展特点，其 对高效散热方式也提出了较高的要求，相应地沸腾 传热的应用将具有巨大的优势。
CuO-水纳米流体多孔球层池沸腾传热特性
2016年第35卷第8期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·2381·化工进展CuO-水纳米流体多孔球层池沸腾传热特性祝啸，陈威，李林星（上海海事大学商船学院，上海 201306）摘要：对CuO-水纳米流体在6mm多孔球层内进行池沸腾实验研究。
实验使用了40nm的CuO纳米颗粒，加以不同浓度的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为表面活性剂，配成多种不同配比关系的纳米流体。
实验结果表明，当表面活性剂浓度与纳米颗粒浓度在0.01%～0.03%（质量分数，下同）之间变化时，两者浓度相近的纳米流体稳定性较好，沸腾传热效果高。
其中表面活性剂浓度略高于CuO浓度时，传热效果较好，在SDBS浓度为0.03%、CuO浓度为0.02%时达到最大，为41670W/(m2·K)；而纳米颗粒浓度增大时，根据其对纳米流体的稳定性和沉降效应的影响，在不同程度上可增强或削弱沸腾传热。
同时对纳米流体的池沸腾进行可视化研究，利用气泡脱离特性对实验结果作了诠释。
所得结果可为纳米流体在多孔球层的池沸腾传热特性研究提供有益的研究数据。
关键词：纳米流体；表面活性剂；池沸腾；多孔介质；传热中图分类号：TK 124 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）08–2381–06DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.12An experimental investigation on heat transfer performance of CuO-H2O nanofluid pool boiling with porous bead-packed structuresZHU Xiao，CHEN Wei，LI Linxing（School of Merchant Marine，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）Abstract：Heat transfer performance of nanofluids in nucleate pool boiling was experimentally investigated in 6 mm copper beads. The nanofluid was prepared by dispersing the 40nm CuO nanoparticles in the base fluid water by using sodium dodecyl benzene sulphate（SDBS）as the surfactants，and both the proportion of the mass fraction were different. Experimental results showed that the nanofluid is in stability and has a good heat transfer performance at the same concentration ranges from 0.01% to 0.03% of nanoparticles and surfactants.The nanofluid could transfer heat more effectively at the slightly higher concentration of surfactants. The best heat transfer coefficient from the range above was 41670W/(m2·K)，where the concentration of CuO and SDBS were 0.02% and 0.03%，respectively. The sedimentation occurred obviously at the larger proportion of nanoparticles，which could enhance or weaken the boiling heat transfer at the different grade. The visualization research of nanofluid pool boiling was also investigated. It could interpret experimental results by analyzing the detachment characteristics of boiling bubble. All these results in this paper can be supplied for the research of nanofluid pool boiling on porous bead-packed structures with useful experimental data.Key words：nanofluid；surfactants；pool boiling；porous media；heat transfer纳米流体自1995年[1]问世以来，在热科学及能源科学领域一直受着研究人员的关注。
zno纳米流体传热特性实验研究
zno纳米流体传热特性实验研究
最近，纳米流体在真空环境中传热特性实验研究得到迅速发展。
纳米流体，即纳米颗粒流体，是由纳米尺度颗粒结成的流体，经过特殊处理的纳米材料。
它们的特性与常规流体完全不同，具有极大的应用潜力。
纳米流体具有优异的传热性能，可以有效地传递能量。
在真空环境中，纳米流体的导热性能会得到更大的改善，其传热效率会大大提高。
因此，纳米流体在真空环境中的传热特性研究很有必要。
为了研究纳米流体在真空环境中传热特性，我们设计并建造了一种真空实验装置。
该装置由一个有效空间和蒸发室两部分组成，有效空间容纳了纳米流体，蒸发室配置在有效空间的一端，可通过加入加热源来实现空间真空度的控制。
在该实验装置中，纳米流体被加热后，热量会从蒸发室传到有效空间。
另外，我们还通过无线传感器系统，实时监测空间热流强度。
我们用这些数据来计算纳米流体在真空环境下的传热系数。
实验结果表明，纳米流体在真空环境中传热特性要比常规流体有较大改善。
纳米流体的传热率和传热系数分别比常规流体提高了30%和40%。
这表明，纳米流体在真空环境下的传热效率更高。
在未来，纳米流体在真空环境传热特性研究可以有更大发展空间。
总之，本文通过实验研究了纳米流体在真空环境中传热特性，结果表明，纳米流体的传热性能比常规流体有较大改善，在未来纳米流体在真空环境中的传热特性研究有巨大发展前景。
本文的研究结果，
为其他类似研究以及应用提供了参考依据。
《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、引言随着微纳科技的飞速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究已成为科研领域的热点之一。
微管道内流体的流动和传热行为直接关系到众多工程应用领域，如微电子冷却、生物医药传输、能源存储等。
而纳米流体的引入，由于其出色的热物理性质和导热性能，显著地提升了传统流体的传热效果。
本文将详细阐述微管道中纳米流体的流动特性和传热机理，旨在为相关研究提供理论基础和实践指导。
二、微管道中纳米流体的流动特性在微尺度下，纳米流体的流动特性与宏观尺度下的流体有所不同。
首先，由于纳米粒子的存在，纳米流体具有更高的粘度，这使得流动阻力增大。
然而，在微管道中，这种增大的阻力反而有助于提高流体的层流性，减少湍流的发生。
此外，纳米粒子的布朗运动也会对流动产生影响，使得流体在微管道中的流动更加复杂。
针对上述问题，我们采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方法，对微管道中纳米流体的流动特性进行了深入探究。
研究结果表明，在一定的雷诺数范围内，纳米流体的流动表现出较好的层流性。
此外，随着纳米粒子浓度的增加，流动的阻力也会逐渐增大。
三、微管道中纳米流体的传热机理纳米流体在微管道中的传热机理主要涉及两个方面：一是纳米粒子的导热作用；二是流体与管道壁面的热交换。
由于纳米粒子具有较高的导热系数，它们在流体中能够有效地传递热量。
同时，在微尺度下，流体与管道壁面的热交换也更加迅速。
我们通过实验和数值模拟的方法，对微管道中纳米流体的传热性能进行了研究。
结果表明，在一定的流量和温度条件下，纳米流体的传热性能明显优于传统流体。
此外，我们还发现纳米粒子的浓度、粒径以及流体流动状态等因素都会对传热性能产生影响。
四、影响因素及优化策略影响微管道中纳米流体流动和传热的因素较多，主要包括纳米粒子的浓度、粒径、形状、表面电荷等。
此外，流体的流速、温度、压力等也会对流动和传热性能产生影响。
针对这些问题，我们可以采取一系列优化策略来提高纳米流体的性能。
纳米流体研究进展
纳米流体研究进展摘要：纳米流体作为一种新型换热工质展现出异常良好的换热性能和良好的稳定性目前，人们对于纳米流体的研究还不够深入，纳米流体各种特性的机理尚不清楚。
进一步开展纳米流体各种特性的机理研究，有助于加深人们对纳米流体的认知，能够促进纳米流体的工程应用，是非常有意义的工作。
本文综述了纳米流体制备、纳米流体的稳定性、传热特性、导热系数研究进展。
并对其在应用上作出了展望。
关键词：纳米流体；稳定新；传热特性；导热系数1引言：随着科学技术的飞速发展和能源问题的日益突出，热交换设备的传热负荷和传热强度日益增大，传统的纯液体换热工质已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求，低传热性能的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。
随着纳米科学与技术的进步，纳米尺度材料和技术越来越多地进入强化传热工作者的视野。
1995年美国Argonne国家实验室的Choi等[1]率先提出了纳米流体的概念。
所谓纳米流体，是指以一定的方式在液体介质中添加纳米粒子或纳米管而形成的悬浮液。
纳米流体与传统换热介质相比，在增强传热方面有着优良的特性。
研究表明：纳米流体能显著提高传统换热介质的导热系数[2]。
此外纳米流体在氨水鼓泡吸收实验中也表现出了很好的强化氨气吸收效果。
制备导热系数高、换热性能好、传质效果强的纳米流体也必定会促进其在能源、化工、微电子、信息等领域的发展[3]。
纳米流体概念的提出给强化传热技术的研究带来了新的希望。
开展纳米流体强化传热机理研究，搞清楚影响纳米流体强化传热的主要因素，对于促进纳米流体在传热领域的应用有重要的意义。
基于此，本文主要从纳米流体制备、纳米流体的稳定性、传热特性、导热系数等方面的最新进展及存在的问题进行叙述。
2纳米流体的制备关于纳米流体的制备，己有许多相关综述可以参考，文献中采用的制备方法主要有两步法和一步法[4, 5]：两步法是最为便利、经济的制备方法。
纳米粉体工业已经较为成熟，可以通过物理或化学方法制备出金属或非金属的纳米颗粒、纳米管等纳米材料。
zno纳米流体传热特性实验研究
zno纳米流体传热特性实验研究近年来，随着节能环保和节能技术发展的不断深入，纳米级流体传热技术受到了越来越多人的重视，Zno纳米流体传热耦合技术也引起了科学研究人员们广泛的关注。
该技术是把普通水、乙二醇或其它液体以一定程度的浓缩后，放入Zno纳米粉末中混合而成的流体，再利用此混合体进行传热。
本研究就对Zno纳米流体的传热特性进行了实验研究，以期为未来纳米流体传热技术的发展提供理论依据。
Zno纳米流体可以分为与传热液体的混合体和纯的Zno纳米流体两种；它们的特点在于具有突出的热传导性能，也就是Zno纳米流体可以更快地将热量从一端传递到另一端。
因此，对于纳米流体传热技术应用，研究者可以利用它来提高系统的能量利用率，从而取得更优的能源利用效果。
实验平台采用的是一台带有可编程温控的双相感应加热系统，该系统可以同时进行两种不同的实验，分别是探究Zno纳米流体和传热液体共同混合后传热性能，以及比较单一Zno纳米流体传热性能。
实验结果表明，在此实验平台下，Zno纳米流体及其混合体的传热系数最大可达到1429.39 W/m2.K；而Zno纳米流体单独一种的传热系数则介于783.36 W/m2.K-861.06 W/m2.K之间，比传热液体本身的传热系数（约为240.28 W/m2.K）存在较大差异。
此外，通过实验的比较，可以看出Zno纳米流体与液体的混合比例会影响其传热特性，而比例较高时，热传导性能的提高也比较明显，说明Zno纳米流体的传热效果得到了提高。
综上所述，本实验研究了Zno纳米流体传热特性，结果表明，Zno 纳米流体具有优异的热传导性能，优于传热液体自身，且混合比例也会影响其传热特性。
因此，为了更大程度上提高未来系统的能量利用效率，将Zno纳米流体特性发挥到极致也是必要的。
未来，人们可以从不同角度进一步探究Zno纳米流体传热性能的表现，例如研究在不同温度环境下的传热特性分布变化趋势，以及在不同液体混合比例下的传热特性，更好地理解流体传热特性，为未来纳米流体技术的发展提供理论支持。
纳米流体热传递特性的研究进展
０ 前 言 能源 问题 是人类生存和发展 的重要 问题 ，创 造更
加高效 的能源操作 系统逐渐成为工程领域 中的首要 任 务之一 。由于热质交 换系统消耗 的能量在人类 总能耗 量 中占有相 当大的 比例 ，因此寻找一种更高效 的热质 传导媒介 以提 高系统热传递性能就显得至关重要 。在 纳米流体颗粒概念 出现之前 ，有关毫米级 以及微米级 的颗粒悬浮液研究 已经十分流行并且具有相 当的成熟 度 。纳米流体 ，最早是在 １９９５年 由 ＣＨＯＩ在美 国 Ａ卜 ｇｏｎｎｅ国家实 验室提 出 的 ］。 自此 之后 。纳 米流 体逐 渐成为一个 主流 研 究 领域 。在 过 去 的 １０—２Ｏ年 中。 关 于纳米流体 的不 同方 面的研究 层 出不穷 ，例如纳米 流体 的制备 、纳米流体 的导热 系数 、纳米 流体在对流 传 热与沸腾传 热 中 的应 用 以及 纳米 流 体 的流 变特 性 等 。关于纳米流体流变特性 以及 纳米流体 的流变特性 与热物理性质之 间的关 系也 没有确立统一 的理论 。本
文作者在对 当前纳米流体领域相关的实验和理论 研究 结果做 了系统 的总结 。对当前在纳米流体 领域内存在 的争议提 出一些看法 。 １ 纳 米流体 的合成
２０１８年 １月 第 ４６卷 第 １期
机床与液压
Ｍ ＡＣＨＩＮＥ ＴＯ０Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＵ ＣＳ
Ｊａｎ．２０１８ Ｖｏ１．４６ Ｎｏ．１
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１８．０１．０３１
纳 米 流体 热 传 递 特 性 的研 学交通与车辆工程 学院，山东淄博 ２５５０４９；２．德州农工大学机械工程 系，美国德州 ７７８４０）
纳米流体传热技术的研究及其应用
纳米流体传热技术的研究及其应用一、引言纳米流体传热技术是近些年来快速发展的研究领域，通过控制介质中微纳米尺度下的热传导特性，可以显著提高介质的传热性能。
本文将就纳米流体传热技术进行深入探讨，包括纳米流体传热机制、纳米流体的制备方法以及纳米流体传热技术在工业领域中的应用。
二、纳米流体传热机制纳米流体传热机制主要包括两种方式：纳米颗粒的热传导与纳米颗粒的对流换热。
1.纳米颗粒的热传导热传导是固体传热的一种基本方式。
纳米颗粒的热传导主要来源于两个方面：一个是基底材料的热传导特性，另一个是纳米颗粒的尺寸效应。
基底材料的热传导特性可以用热传导系数来描述，而在纳米尺度下，传热系数的值会因为基底材料的组成和结构而改变。
在纳米颗粒的尺寸效应方面，数据表明，当纳米颗粒的尺寸减小到一定程度时，其导热系数会有所增加，这就是所谓的纳米尺度下的尺寸效应。
综合上述，纳米颗粒的热传导主要来源于材料的基础热传导特性和纳米尺度下的尺寸效应。
2.纳米颗粒的对流换热纳米颗粒的对流换热是浮力引起的流动产生的，而浮力产生的机制是受到物质热性质的影响。
因此，在纳米流体中，热量通过流动的方式进行传递，提高了介质传热效率。
三、纳米流体的制备方法纳米流体的制备方法一般有物理法、化学法和生物法三种方法。
1.物理法物理法是将纳米颗粒分散在基底流体中的一种方法，通过外力作用使纳米粒子悬浮在基底流体中。
这种方法需要引入纳米颗粒的表面处理，使纳米颗粒之间的静电斥力足够强，可以克服重力和聚集力的引力，形成一个平衡的动态微乳液状态。
物理法的优点是操作相对简单，但是难以控制纳米颗粒的粒径和分布，同时由于表面处理可能会导致纳米颗粒的表面粘膜，因此对介质的传热性能也可能产生负面影响。
2.化学法化学法是通过化学反应合成纳米颗粒，并将其分散在基底流体中，包括溶胶凝胶法、水热合成法等。
与物理法相比，化学法具有可控制粒径和分布、纳米颗粒表面稳定等优势，但是该方法需要适当地处理生成的纳米颗粒颗粒表面，避免对介质的传热性能产生负面影响。
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纳米流体沸腾传热研究进展姚寿广;董招生【摘要】综述近年来纳米流体在池沸腾和流动沸腾传热领域的实验研究和数值模拟研究。
实验包括纳米流体沸腾传热的临界热流密度、沸腾换热系数以及换热机理方面的研究，并简要分析纳米流体强化或弱化沸腾传热的主要原因。
数值模拟主要介绍格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）在纳米流体沸腾传热领域的最新研究进展，包括基于不同的LBM模型模拟气泡产生、成长到脱离壁面的过程，对气泡的脱离直径和频率进行分析。
最后展望纳米流体沸腾传热的发展方向。
%This paper presents the latest researches on the heat transfer of pool boiling and flow boiling in the re-cent years.The studies on the critical heat flux,heat transfer coefficient and mechanism are included in the ex-perimental researches on the heat transfer of boiling.Moreover,the main reasons are briefly analyzed why the nanofluids enhance or deteriorate the heat transfer in comparison to base fluid.Then,this paper presents a re-view of recent numerical simulation researches on the boiling heat transfer behavior of nanofluids based on LBM. With different LBMmodels,the nucleation and growth of bubbles and departure from the wall are simulated and investigated as well as the departure diameter and release period.Finally,several topics worthy of attention for future investigations are identified.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(031)001【总页数】6页(P49-54)【关键词】纳米流体;强化传热;沸腾换热;数值模拟【作者】姚寿广;董招生【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院，镇江 212003;江苏科技大学能源与动力工程学院，镇江 212003【正文语种】中文【中图分类】TK172.4随着科学技术的飞速发展,工业界对研制出紧凑、轻量和高效的热交换设备提出了迫切的要求,发展高热导率和传热性能良好的换热工质已经成为换热设备中强化传热技术的研究热点之一[1]．纳米材料因具有小尺寸、大比表面积以及独特的光、磁、电、化学和机械特性,为强化传热提供了新的有效途径．自1995年美国Argonne国家实验室提出纳米流体作为强化传热介质以来,将纳米流体作为流动工质应用于各类紧凑型换热冷板或换热器，从而提高其传热性能,在电子设备散热及紧凑式换热器上已展示出良好的应用效果[2]．文中主要研究近期纳米流体在强化沸腾换热领域实验研究和数值模拟的进展．纳米流体的导热系数高于基液并能提高单相流体换热能力,而沸腾作为有效的强化换热手段,纳米流体沸腾传热的机理十分复杂,纳米流体沸腾是否强化换热,不同研究者得出了不同甚至完全相反的结果[3]．1.1 沸腾换热的实验研究文献[4]研究了Al2O3/H2O纳米流体的池沸腾传热特性,采用NiCr丝作为加热面,纳米颗粒的体积分数为0.01 %～0.1 %．结果发现，在每一个体积分数下,纳米流体的临界热流密度(critical heat flux,CHF)都比纯水有所提高,而且随着体积分数的增加而增加,最高可提高48%．文中研究得出纳米流体CHF的提高主要是由于池沸腾时纳米颗粒沉积在加热表面形成一层多孔的涂层,多孔涂层增加汽化核心所需要的微穴，并且纳米颗粒的沉积形成多孔介质,从而进一步强化换热,文中通过测量加热表面的粗糙度和扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)图像证实此观点．文献[5]对γ-Al2O3/CMC非牛顿纳米流体的池沸腾传热特性进行实验研究．结果表明：CMC溶液的核态沸腾的传热系数随着CMC浓度的升高而降低,但是在CMC较低浓度情况下,由于溶液的流变特性的变化,沸腾换热系数会有小幅提升．在CMC溶液中添加纳米粒子后,沸腾表面的温度降低,沸腾传热系数升高,而且随着纳米粒子质量浓度的升高,强化传热效果更加明显．文中认为影响纳米流体沸腾传热效果的因素中存在不同和对立的因素,如溶液的粘度,纳米颗粒与加热表面和气泡的冲突．对比与非牛顿流体基液,这些因素的不同组合作用导致非牛顿纳米流体有更好的强化传热表现．文献[6]研究低浓度(≤1 g/L)Al2O3/H2O纳米流体的池沸腾特性,结果发现：当纳米粒子的浓度低于0.025 g/L时,纳米流体的CHF较纯水都有提高,而且CHF随着纳米粒子浓度的升高而升高；当浓度为0.025 g/L时,纳米流体的CHF较纯水有80%的提高；当浓度大于0.025 g/L时，纳米流体的CHF大小不变,但是壁面的过热温度增大,说明池沸腾传热系数降低．文献[7]研究TiO2纳米流体的浓度、加热表面的材料和粗糙度对沸腾的影响．Cu、Al制成水平的圆盘作为加热面,表面粗糙度为0.2 μm和4 μm,纳米颗粒的体积浓度分别为0.000 05、0.000 1、0.000 5、0.005、0.01．结果发现,铜圆盘作为加热表面，浓度为0.000 1的纳米流体的传热系数较基液有所提高,且粗糙度为0.2μm时提高约为15%,粗糙度为4 μm时提高约为4%;当浓度超过0.000 1时,传热系数在两种粗糙度下均小于基液的传热系数,文中得出浓度小于0.000 1时,沸腾产生的向上微对流导致纳米粒子无法沉积进而强化传热,当浓度大于0.000 1时,纳米离子沉积在表面,增加了热阻,所以恶化传热过程．另外，同样的粗糙度,Al比Cu有更高的沸腾传热系数,而且无论加热表面哪种材质，粗糙度为4 μm时的传热系数要比0.2 μm时的大,这是由于粗糙的表面增加了沸腾的汽化核心,强化传热．文献[8]研究δ-Al2O3/R141b纳米流体的池内核态沸特性,将平均粒径为20 nm 的δ-Al2O3纳米粉添加到制冷工质R141b中制备体积分数为0.001%、0.01%、0.1 %的纳米流体,沸腾表面为2000#砂纸打磨光滑的铜表面．实验表明：纳米流体强化了沸腾传热特性,且强化倍数随着纳米流体浓度的增加而增大．体积分数0.1 %纳米流体的沸腾传热系数比基液增大了50.2 %,分析认为表面颗粒沉积是强化换热的主要因素．沉积颗粒的粒径可能比原沸腾表面的粗糙度大,覆盖在表面上增大了表面局部粗糙度,从而强化了沸腾传热系数．文献[9]研究Al2O3/H2O纳米流体的池沸腾传热性能和现象．纳米颗粒的平均直径为47 nm,沸腾表面为用2000#砂纸打磨过的水平矩形光滑的铜板,纳米流体的体积浓度分别为0.5%、1%、2%、4%,并用超声波振荡以确保稳定性,实验结果发现,纳米流体在自然对流和核态沸腾阶段的换热系数比纯水有所降低,而且随着纳米粒子浓度的升高,降幅增大．同时还对纳米流体的CHF进行测量,结果发现在水平加热面上的CHF提升32 %．分析认为纳米颗粒的沉积改变了表面的粗糙度,在沸腾表面形成一层纳米膜,导致沸腾表面的汽化核心减少,所以传热效果恶化．文献[10]对Al2O3/乙二醇纳米流体(质量分数为0.1%～0.3%)进行池沸腾换热特性实验研究,分析热流密度、沸腾表面的粗糙度、纳米流体的浓度以及污垢的热阻分别对纳米流体池沸腾换热系数的影响．实验结果表明：① 纳米流体在自然对流和核态沸腾阶段,沸腾传热系数随着热流密度的升高而增大,但是核态沸腾阶段传热系数增加更明显,文中认为主要的原因是核态沸腾产生的气泡将大部分热量从加热壁面传递给液体,而液体的湍动和局部扰动则是次要因素;② 纳米流体的传热系数随着纳米颗粒的浓度增加而减小,文中认为,随着浓度的增加,纳米流体颗粒在沸腾表面沉积,导致了沸腾表面的粗糙度降低,汽化核心的数量减少,还有气泡的导热系数低,导致热量传递恶化,所以沸腾传热系数降低．文献[11]实验研究了R-134a和R-134a/POE混合液分别与SiO2、CuO制成的纳米流体的流动沸腾的换热情况．结果发现，SiO2/R-134a纳米流体流动沸腾换热系数相比于基液有所减小,由于沸腾表面形成的纳米颗粒膜和纳米颗粒不稳定性导致纳米颗粒团聚是阻碍热交换的原因．但是在CuO/R-134a/POE纳米流体中,换热系数随着纳米颗粒体积分数的增加而增大,而且纳米颗粒对纳米流体流动沸腾压降的影响很小,几乎可以忽略,因此，纳米颗粒的浓度太低,不至于影响流体的动力粘度．文献[12-13]研究以制冷剂R113为基液的纳米流体水平管内流动沸腾的传热特性,纳米粒子CuO平均粒径为40 nm,质量分数为0～0.5 %．实验结果表明,纳米流体在光滑管内的流动沸腾传热系数比基液大,最大可以提高29.7 %,分析认为纳米粒子的扰动减薄了边界层的厚度和纳米粒子表面生成分子吸附膜是强化传热的主要原因．但是与此同时管内的压降比纯制冷剂增大,而且随着粒子浓度的增加而增加．文献[14]研究不同纳米粒子(Cu、Al、Al2O3、CuO)与制冷剂R141b制备的纳米流体(质量分数为0.1%、0.2%、0.3%)在水平热管内的流动沸腾换热特性,以及质量流量对沸腾的影响．结果表明：随着纳米颗粒浓度的增加,沸腾换热系数增大,而且其中0.3%的Cu/R141b纳米流体的强化换热效果较好,达到49%,这是由于Cu 的导热系数最大造成的．上述实验结果表明：纳米流体是否强化沸腾传热与纳米流体的性质(纳米颗粒的种类、大小、浓度以及稳定性等),基液的性质(粘度、表面张力等)和沸腾表面特性(粗糙度、润湿性能)等因素有关;这些因素的相互作用,不同配合也决定着纳米流体是否强化传热以及强化强度的大小．但是,目前的实验研究并未考虑到纳米颗粒不同的制备方法对其传热性能的影响,所以有必要结合纳米颗粒的制备、纳米颗粒的稳定性进行实验研究．1.2 纳米流体沸腾换热机理的研究由于影响因素复杂性,加上实验研究自身的局限,目前还未能清楚阐述纳米流体强化沸腾换热的机理,所以需要进一步展开大量的实验研究工作．文献[15]对Al2O3/H2O纳米流体在加热壁面的强制对流沸腾换热的CHF进行实验研究,结果表明，纳米流体的CHF相比于纯水提高,并且随着液流速度的提高而提高．研究认为纳米颗粒沉积导致壁面的湿润性发生变化,并通过SEM图像得以证明．文献[16]通过对不同类型纳米流体的过冷流动沸腾传热研究也得出相同的结论．文献[17]对纳米流体的核态沸腾中纳米颗粒的尺寸相对于沸腾表面的粗糙度进行综述并研究,重点探讨了纳米粒子的直径相对表面粗糙度对沸腾传热的影响．当加热壁面的粗糙度和纳米颗粒的尺寸差不多时,核态沸腾汽化核心减少,传热恶化;当壁面粗糙度和纳米颗粒的尺寸相差甚远的时候,由于汽化核心增加或者减小数量非常少,强化传热．文献[18]研究纳米颗粒悬浮液池内泡状沸腾机理,研究表明,纳米颗粒的加入对基液池内泡状沸腾换热过程有正反两方面的影响:一方面,纳米颗粒悬浮液有效导热系数较基液有了很大的提高,颗粒的加入减小了液体的表面张力,减少了沸腾过热度,从而强化液体内部换热过程;另一方面,颗粒的团聚以及液体粘度的变大易造成颗粒的沉积,颗粒的沉积和对凹坑的充填减小原加热表面的凹坑口径和数量,沸腾过热度变大,削弱沸腾换热．对于不同性质颗粒、不同浓度、不同热流密度的情况下,纳米流体沸腾换热的强化或恶化,是这些因素综合作用的结果．文献[19]从纳米流体沸腾核化的热力学角度探讨纳米流体更容易核化的主要原因是颗粒在界面处的聚集,有效降低了气液界面自由能．文献[20]从两个方面阐述纳米流体导热系数的强化机理:一是纳米颗粒改变液体的结构,使液体变成液-固两相悬浮液,影响了纳米流体内部的能量传递过程;二是由悬浮于基液中的纳米粒子随机布朗运动引起并促进了流体内部的微扰动,从而增强了纳米颗粒与基液之间的能量传递速率．综上实验研究,目前对于纳米流体沸腾换热机理的研究主要在以下几个方面:① 纳米颗粒沉积表面改变润湿性能;② 纳米颗粒的粒径与表面粗糙度的匹配;③ 纳米颗粒导热特性和纳米流体的粘度以及表面张力;④ 两相界面的自由能;⑤ 纳米粒子的布朗运动．但是目前还不清楚传热的机制,对于探究纳米流体强化传热的机理,还需要从纳米颗粒的稳定性、沉积表面的润湿性能和毛细结构、纳米流体的导热系数、表面张力和粘度、纳米流体的运动以及气泡动力学这几个方面进行研究．数值模拟作为研究手段之一,在深入研究多相流机理方面扮演着重要的角色．目前多相流换热的数值模拟方法主要分为界面追踪和界面捕捉两类,界面追踪是将每相分开考虑,该方法精度高,稳定性好,但是该方法难以处理激烈的、不规则变形，并且用该方法模拟3D情况比较复杂;界面捕捉的方法有VOF、level-set和phase-field,其中phase-field是基于扩散界面模型而提出,主要用于晶体生长和凝固．在众多的方法中,LBM由于具有处理、分析复杂流体的潜力而广受关注,一些学者已经采用这种方法进行了多相流的相关研究．文献[21]通过LBM的数值模拟研究微尺度池沸腾中热流密度、湿润性和重力对气泡脱离3种不同结构壁面的直径和释放频率的影响．研究发现气泡脱离的直径随着接触角的增加而线性增加,而且壁面的粗糙度会减缓增加的幅度．气泡直径可以大致看成是热流密度的线性函数,加热壁面的洞穴影响这个函数的系数大小．如果考虑壁面的导热和洞穴,发现气泡脱离频率是接触角的单调升函数,可以用抛物线近似表达．文献[22]研究了气液间的相变换热,通过在伪势模型中添加新的能源项来提高数值稳定性,并采用该模型模拟水平壁面上气泡的生成和分离过程．文献[23]基于相变传热模型,用LBM模拟光滑亲水表面添加疏水点后的整个沸腾过程,研究发现疏水点的添加增加了核化气泡,减少了成核时间,强化了沸腾传热,同时提高了沸腾的CHF,其原因是疏水点调节气泡在壁面的伸展．至于热流密度和温度的变化,发现生成气泡下面的疏水区域的热流密度很高,而且在三相交接处的热流密度最大但是温度最低．文献[24]采用多相流稳定模型模拟过热壁面的气泡生成和脱离过程,讨论了密度、重力、表面张力、接触角和壁面过热度对气泡脱离直径和频率的影响．模拟结果和实验关联式很好的吻合,结果表明接触角对气泡脱离直径几乎没影响,但是随着密度比的增加,气泡直径将减小,气泡的释放周期随着密度比的增加而延长．气泡生成的过程中,气泡的过热度分布不均,但气泡脱离之后,气泡温度下降到略低于饱和温度,气泡直径随着气泡上升逐渐增大．文献[25]对微通道流动沸腾换热的气泡进行研究,将多相模型与热格子LBM结合，提出一个混合模型来自动捕捉界面变化,模拟结果表明气泡的成长阻碍了流动的发展,导致流动阻力增加,直至气泡脱离壁面;气泡周围的相变潜热的消耗强化了传热过程,但是正在成核的气泡与脱离壁面的气泡结合会导致气泡过早脱离壁面,在某种程度上限制了传热效率．文献[26]提出一种不可融合、大密度比的两相流LBM模型,基于这种方法模拟了气泡流的复杂结构和速度场,模拟结果与理论解符合较好．文献[27]耦合多相模型和Inamuro 的LBM模型模拟了重力加速度对气泡的成长和脱离过程的影响．文献[28]用多相模型结合相变模型模拟了重力加速度、接触角等对气泡生长过程的影响．文献[29]提出将Inamuro模型和文献[30]所提模型耦合来模拟气泡的形成、上升和脱离过程,研究了接触角、热流密度和加热壁面的长度对气泡离开壁面时间和直径的影响,发现接触角的增大、重力的减小以及热流密度的增加可以增加气泡脱离壁面的直径,伸展壁面的长度也能够明显增加气泡脱离时的直径,并指出当小气泡上升时受到很大的重力,则气泡将消失．文献[31]将LBM和有限体积法(finite volume method,FVM)结合,认为该模型存在三大优势:① 从宏观参数到LBM分布函数,形成了统一的重构算子;② 该模型可以解决LBM中密度变化和FVM中不连续的问题;③ LBM和FVM之间时间的耦合可以解决模拟不稳定性的问题．文中用该方法做了3个案例,分别是高斯脉冲的对流扩散、流体在圆柱体表面的流动和方腔内不稳定的自然对流,证明了该方法的灵活性与可行性．目前研究纳米流体强化换热的LBM模拟多集中于单相流体换热,如文献[32]采用LBM中双分布函数模型,模拟矩形腔内Al2O3/H2O纳米流体的Rayleigh-Benard 对流,但是进一步考虑纳米流体沸腾相变换热的LBM模拟研究还很少,仅有文献[33-35]基于伪势模型,通过加入纳米颗粒的布朗力和范德瓦尔力,构建适合模拟纳米流体等温相分离的LBM模型，并以此纳米流体LBM模型为基础耦合相变方程,建立一种能够描述纳米流体气液相变的多组分多相LBM模型;在大密度比模型基础上,耦合Inamuro的传热模型,根据纳米流体物性参数修改平衡态方程,建立描述纳米流体沸腾换热的单组分多相格子Boltzmann模型，模拟纳米流体沸腾过程中气泡成长及脱离过程．从已有研究工作看,基于LBM模拟纳米流体沸腾相变换热的基础研究较少,当前的研究大多把纳米流体看成是一种单组分单相的均质流体,这与实际的纳米流体有所出入,所以还应从以下几个方面进行大量的研究工作:① 将纳米流体做多组分处理,把纳米颗粒看作一个组分,基液看作另一种组分,考虑纳米颗粒所受到的布朗力、范德瓦尔力等;② 由于沸腾换热的机理复杂性,还应考虑相变过程,所以纳米流体的沸腾换热是多组分多相的,建立多组分多相LBM模型对研究其沸腾传热机理必不可少;③ 结合气泡动力学、沸腾表面的润湿性能以及纳米流体的粘度和表面张力等因素,模拟出纳米流体沸腾换热过程,并探讨各因素对换热的影响．从目前的实验研究和数值模拟来看,纳米流体能否强化沸腾传热还不能一概而论,但是基于单相纳米流体强化传热的共识,纳米流体强化沸腾传热的潜力得到大多学者的认同．虽然对纳米流体强化沸腾传热机理的理解是不充分的,但对于纳米流体沸腾CHF的研究结果却一致是增大的,目前认为主要原因是纳米颗粒沉积改变沸腾表面的微观形态结构,进而增强壁面的湿润性、粗糙度和虹吸作用．而对于提高纳米流体沸腾传热系数的研究结果却是对立的,由于纳米颗粒的种类、尺寸、浓度、沸腾表面的特性、热物性的改变等多种因素共同影响纳米流体的换热性能．强化沸腾传热的主要原因有:添加纳米颗粒增加了汽化核心;纳米颗粒的扰动降低了边界层厚度,减小了热阻;弱化传热的主要集中在纳米颗粒沉积表面形成纳米膜,增大热阻,减小沸腾的汽化核心等．由于纳米流体的复杂性,至今没有彻底清楚纳米流体强化传热的机理．为了理解纳米流体沸腾传热的机理,还可从以下几个方面进行实验或数值模拟的研究:① 制备能够长时稳定的纳米流体;② 结合沸腾表面特性(润湿度、粗糙度)和纳米颗粒(尺寸、浓度)相互作用的研究;③ 结合气泡动力学和流体的粘度、表面张力研究对沸腾的影响;④ 建立起可以预测纳米流体沸腾换热系数、CHF、压降、热阻的实验关联式,为工程应用提供参考依据．【相关文献】[1] 杨波,王姣,刘军. 碳纳米流体强化传热研究[J]. 强激光与粒子束,2014,26(5):1-3. 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