水基氧化铝纳米流体的管内流动传热特性数值仿真研究开题报告

 2020-02-18 07:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着科学技术的不断发展和节能减排的需求提升,热交换系统的传热负荷和传热强度日益增大,热交换设备的结构尺寸限制及使用环境也日益苛刻,对强化传热技术提出了新的更高的要求。当下,提升热交换设备性能的高效强化传热技术成为节能的重要手段,广泛应用于石油、化工、能源、冶金、材料等工程领域。开发新型强化传热技术,开发高效换热器可以带来巨大的经济和社会效益。

管内流动传热强化技术,除了对换热管束本身结构的改进优化,针对管内流体工质物性的改善也吸引众多学者的关注。要进一步研制体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式热交换设备,必须从工质本身入手,研制导热系数高、传热性能好的高效新型换热工质。纳米流体是一种由基液和纳米颗粒(平均粒径低于100nm)组成的稳定均匀的胶体状新型工质。在研究中发现,纳米流体具有优异的热物性,能够有效地提高流体的热导率,显示了纳米流体在强化换热领域的巨大应用前景。

本设计以水基氧化铝纳米流体为研究对象,对纳米流体管内的流动传热特性进行仿真研究。对于纳米流体的研究已有很长的历史,自1995年choi等人首次提出了“纳米流体”概念开始,该领域得到了快速的发展。近20年来,李强等人研究了纳米流体强化传热的机理和性能,针对cu-水纳米流体管内对流换热系数进行测试,结果表明,在液体中添加纳米粒子显著增加了悬浮液的导热系数,增加了液体的对流换热系数,纳米流体的导热系数随纳米粒子体积份额的增加呈线性增大;且由于纳米材料的小尺寸效应,不会引起大的阻力损失,不会产生磨损、堵塞等不良结果[1]。何玉荣等人采用单流体模型数值模拟研究了纳米流体的流动和传热特性[2]。云海涛针对纳米流体圆管内对流换热情况进行了实验研究,分析了纳米流体努塞尔数和对流换热系数等条件对换热过程的影响[3]。shoghl等人利用计算流体动力学(cfd)模块,进行了纳米流体池沸腾气泡动力学的实验研究[4]。najafabadi等人的研究表明在基液中加入al2o3纳米颗粒改善系统的传热性能[5]。meng等人使用数值方法研究纳米流体自然对流与纳米颗粒沉降耦合问题[6]。behroyan等人比较五种cfd模型,进行了cu -水纳米流体在壁面热流恒定条件下的强迫对流换热数值研究,发现牛顿单相模型和欧拉-拉格朗日两相模型与实验结果一致度较高,为今后研究选择合适的模型提供了有力参考[7]

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2. 研究的基本内容与方案

基本内容:分析比较单相流和多相流模型的纳米流体计算结果,建立合适的纳米流体仿真计算模型,分析讨论水基氧化铝纳米流体和水在光滑圆管内的强化传热特性,以及不同体积分数的纳米流体的传热特性变化规律。

目标:建立管内流动水基氧化铝纳米流体的传热仿真计算模型。

拟采用的技术方案及措施:本毕设拟采用牛顿单相模型或欧拉-拉格朗日两相模型仿真研究纳米流体的流动特性。计划使用两种模型中较为合适的模型,绘制工程制图,利用ansys fluent分析水基氧化铝纳米流体在光滑圆管内的流动传热特性,并与纯水结果进行比较分析。此外,改变纳米流体的纳米颗粒体积分数进行计算机仿真,使用特征值方法比对,研究体积分数与传热性能的变化规律。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,理解纳米流体、流动传热特性的相关知识以及ansys fluent的使用方法。确定研究方案,完成开题报告。

第4-7周:明确水基氧化铝纳米流体的传热理论,完成理论建模。

第8-12周:建立管内流动的传热模型,进行仿真模拟,得到模拟结果,进行数据整理,完成理论分析,撰写毕业论文。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 李强. 纳米流体强化传热机理研究[博士].南京理工大学, 2004.

[2] 何玉荣, 韩杰才,al_2o_3/h_2o纳米流体管内流动和对流换热行为的数值模拟研究. in 第十五届全国复合材料学术会议, 中国黑龙江哈尔滨, 2008; p4.

[3] 云海涛. 纳米流体对流换热实验研究[硕士].天津大学, 2012.

[4] shoghl s n, bahrami m, moravejim k. experimental investigation and cfd modeling of the dynamics of bubbles innanofluid pool boiling[j]. international communications in heat and masstransfer, 2014, 58: 12~24.

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