粘弹性流体基纳米流体湍流流动和换热特性的研究.pdf

国内图书分类号: O373, 学校代码: 10213 国际图书分类号: 530 密级:公开工学博士学位论文粘弹性流体基纳米流体湍流流动与换热 特性研究 博士研究生:阳倦成 导 师:李凤臣教授 申请学位:工学博士 学 科:工程热物理 所在单 位:能源科学与工程学院 答辩日 期:2013 年 6 月 19 日 授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: O373, .: 530 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering STUDY ON THE TURBULENT FLOW AND HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF VISCOELASTIC FLUID BASED NANOFLUID Candidate : Yang Juancheng Supervisor : Prof. Li Fengchen Academic Degree Applied for : Doctor of Engineering Speciality : Engineering Thermophysics Affiliation : School of Energy Science and Engineering Date of Defence : June , 19 th, 201 3 Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology 摘要-I- 摘要在水中添加表面活性剂或者高分子聚合物能使其所形成的粘弹性流体在湍流状态下的流动摩擦阻力大幅降低,然而将其应用到具有换热单元的系统中会带来十分严重的传热恶化现象。在水中添加纳米尺度的高导热系数纳米颗粒并辅以一定的稳定剂所形成的纳米流体能增强换热系统中的对流换热特性,然而,由于固体颗粒的加入会带来额外的流动阻力。粘弹性流体的传热恶化问题以及纳米流体的流动阻力问题的解决是实现这两种流体在工程实际中应用的一个十分重要的课题。本文将从这一角度出发,结合粘弹性流体和纳米流体各自的优势,以期成功配制以粘弹性流体为基液的纳米流体并获得该种流体流动减阻和传热相对强化的效果。本文首先对实验所需的测量仪器以及自行搭建的圆管对流换热与流动阻力实验台进行了详细的介绍。而后,通过考虑纳米粒子的热扩散效应,推导了适用于纳米流体传热直接数值模拟的热扩散模型以及能量方程,并给出了直接数值模拟采用的方法。在实验方面,成功配制了较为稳定的以十六烷基三******化铵( CTAC ) 和水杨酸钠( NaSal )( 1:1 质量比)水溶液所形成的粘弹性流体为基液,以高导热系数的铜( Cu )纳米颗粒作为纳米粒子的纳米流体,称之为粘弹性流体基纳米流体( VFBN ),并详细介绍了该种流体的制备方法。对 VFBN 的悬浮稳定性、导热系数、流变学特性以及表面张力进行了详细的实验研究,并通过对 Li-Qu-Feng 导热系数模型的改进获得了适用于球形铜纳米粒子和长棒状碳纳米管所形成的 VFBN 的导热系数预测理论模型。 VFBN 的导热系数测量结果表明该种流体导热系数明显高于水的导热系数,且导热系数随着铜纳米粒子体积分数和流体温度的增加而增大; VFBN 的流变学性质测量结果表明该种流体与粘弹性流体基液相似,出现了粘度的剪切稀变特性,表现出获得流动减阻效果的可能性。在前期导热系数和流变学性质的测量基础上,采用圆管对流换热与流动阻力测试实验台,对水、粘弹性流体、水基纳米流体和 VFBN 的流动阻力和换热特性进行了测量。实验结果表明水基铜纳米流体流动相比水流动而言有明显的传热强化效果且传热效果随粒子体积分数和佩克莱特数( Pe )的增加哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II- 而增大,而流动阻力增加并不明显。对于粘弹性流体流动而言,其流动具有传热恶化和流动减阻的特性,且传热恶化率大于流动减阻率,然而对添加 Cu 纳米粒子所形成的 VFBN 流动而言, Cu 纳米粒子的加入对粘弹性流体基液的粘弹性现象有一定的削弱,但增强了其换热性能。通过对各种流体流动综合性能象限分布图分析可以发现, VFBN 流动在具有湍流减阻效应的同时, 还具有相比于粘弹性流体流动传热强化的效果,达到了本研究的预期目的。在理论研究方面,通过将计算结果与实验结果对比,确定了实验中铜纳米流体的扩散