封闭方腔内纳米流体自然对流传热特性研究

摘要

纳米流体作为一种新的传热工质,近年来逐步成为了研究热点。在静态时纳米流体导热系数比水大的事实已经为世人公认,但关于其在自然对流等实际应用中传热效果的研究还相对较少。
　　鉴于此原因,本文配制了Al2O3-水纳米流体、TiO2-水纳米流体和金刚石-水纳米流体,测试了它们的导热系数和流变特性。测试结果表明:在相同温度相同质量分数时,Al2O3-水纳米流体的导热性能最好,而金刚石-水纳米流体的导热性能较差;对于同一纳米流体,由于Maxwell模型没有充分考虑温度对液体导热系数的影响,所以在不同温度下给出的导热系数的预测值与实测值存在偏差。低浓度纳米流体可简化为牛顿流体,在低剪切速率范围内,纳米流体呈现剪切变稀的现象;在高剪切速率范围内,纳米流体呈现剪切变稠的现象。
　　自行搭建了自然对流实验平台,分别以水和TiO2-水纳米流体(体积分数vol=0.94％)为工质,研究了纳米流体在封闭方腔内的自然对流传热效果。实验结果表明,在自然对流情况下,TiO2-水纳米流体的传热性能并不比水强,甚至在低Ra数时,实验值与水的理论值相差较大,产生这种结果的原因可能是在自然对流中纳米流体粘度增加产生的负面影响比导热系数增加产生的正面影响更大。
　　根据耦合双分布函数模型编写了封闭方腔内纳米流体自然对流换热格子Boltzmann模型模拟程序。TiO2-水纳米流体自然对流的模拟结果与理论值的变化趋势相同,几乎线性增加。模拟结果比实验结果略小,基本吻合。不同浓度Al2O3-水纳米流体自然对流的模拟结果较实验结果略大,而不同浓度纳米流体传热效果的差别较小。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 纳米流体的制备

1.2.2 纳米流体的导热性能

1.2.3 纳米流体导热系数和粘度的理论模型

1.3 纳米流体的应用前景

1.3.1 纳米流体在传热领域中的应用

1.3.2 纳米流体在减阻润滑方面的应用

1.3.3 纳米流体在生物医学中的应用

1.4 本文的主要研究内容

第2章 纳米流体的物性测量

2.1 纳米流体的制备和稳定性

2.2 纳米流体的导热系数

2.2.1 导热系数仪工作原理

2.2.2 测量结果

2.3 纳米流体的流变性质

2.3.1 旋转流变仪的工作原理

2.3.2 测量结果

2.4 本章小结

第3章 封闭方腔内纳米流体的自然对流实验

3.1 自然对流实验平台

3.2 实验步骤

3.3 实验数据的处理

3.4 实验结果和讨论

3.5 本章小结

第4章 格子Boltzmann方法简介

4.1 格子Boltzmann模型

4.2 格子Boltzmann模型的边界处理

4.2.1 半步长反弹格式

4.2.2 非平衡态反弹格式

4.2.3 非平衡态外推格式

4.3 本章小结

第5章 封闭方腔内纳米流体自然对流的 格子Boltzmann模拟

5.1 格子Boltzmann方法模拟的基本流程

5.2 封闭方腔内纳米流体自然对流的物理模型

5.3 模拟过程及结果

5.3.1 数值解精确性的验证

5.3.2 TiO2-水纳米流体自然对流的数值模拟

5.3.3 Al2O3-水纳米流体自然对流的数值模拟

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致 谢