高温高压下的纳米流体自然对流强化传热研究文献综述
2020-04-15 04:04
在人类社会中，能源标志着社会的发展，目前人类赖以生存的能源如水利能、风能、热能等都与人类的生活密切相关，而热能在人类生活中占有重要地位，如饮食、卫生、环境、工业等都离不开热能。在当今资源紧缺的时代，为了人类社会可持续发展和环境的改善，如何有效利用热能也是科学研究的重要话题之一。热能的高效利用与传热效率有着直接的关系，所以传热现象以及如何改善传热效率有着重要的研究价值。
由于现代技术的发展出现了纳米级金属和金属氧化物颗粒，因金属材料具有较好的导热能力，将微量金属及金属氧化物纳米颗粒添加到传统基液中，稳定扩散形成的纳米颗粒悬浮液比传统流体具有更好的导热能力，可提高热力系统换热效率。1995年由美国Argone国家实验室Choi[1]提出新概念：纳米流体。纳米体系和纳米科学技术概念的出现为人类认识自然现象、利用自然规律、推进科学技术发展和社会进步开辟了一条前所未有的、崭新的道路。作为一门新兴学科，纳米科学与技术研究吸引众多科学家及工程师对纳米流体进行了研究，取得了重大突破，如对纳米流体热物理热性、导热机制、纳米流体种类以及新型制冷剂的研究等，纳米科技日益受到关注和重视[2]。
纳米流体因纳米颗粒与纳米颗粒。纳米颗粒与液体之间存在的范德华耳引力、静电排斥力、浮升力、相间阻力以及布朗力等作用力，破坏了流动层，加强了流动的湍流程度，降低了换热热阻，从而增强换热；与毫米或微米级颗粒相比，同样体积分数下，纳米颗粒表面积更大，因而纳米流体导热系数较毫米或微米颗粒悬浮液大，纳米颗粒所具备的小尺寸效应，表面效应等均体现了微米级颗粒所不具有的特有属性[3-5]；因为纳米颗粒尺寸较小以及自身强烈的布朗运动，纳米颗粒具有更好的悬浮稳定性，不易沉降。
如今已经有许多科研人员针对不同形状腔体内纳米颗粒悬浮液的自然对流换热特性进行了研究，有学者运用了与杨卫卫等[6]同样的物理模型以及边界条件来研究纳米流体自然对流换热特性，也有学者研究如方形[7,8]，三角形[9]，梯形[10]等不同流体腔体内纳米流体自然对流换热；不同的热边界条件被用于研究腔体内纳米流体的自然对流换热，如恒壁温，恒定热流量[11]，添加磁场等[12]。
纳米流体比纯流体具备更优良的传热能力是因为悬浮在纯流体中的纳米颗粒明显改善了基液的导热能力，其液中纳米颗粒含量提高使得纳米流体的导热系数也相应增大，同时导热系数的变化程度也因纳米流体种类不同而存在差异。Lee等[13]和wang等[14]分别通过实验测试了向水中添加粒径分别为38nm和28nm的Al2O3纳米颗粒后纳米流体的导热系数，结果显示，纳米颗粒粒径尺寸较小时，得到的纳米流体导热系数较高；同时Lee等[13]和wang[14]等分别测量了添加纳米颗粒粒径为24nm和23nm、颗粒体积分数在1%~3.6%和4.4%~9.8%的CuO-水纳米流体的导热系数，以及纳米颗粒粒径为24nm和23nm、颗粒体积分数范围为1%~4%和6%~15%的CuO-乙二醇纳米流体的导热系数，结果显示，尽管测量的纳米流体中纳米颗粒的体积份额不同，单对于同一种类的纳米流体，当纳米颗粒体积分数提高时其导热系数几何呈等斜率增大，和李强[15]向乙二醇中添加颗粒尺寸为26nm的Cu纳米颗粒的纳米流体实验结果相比，添加同样数量的纳米颗粒时，根据两种纳米流体的导热系数显示，悬浮有金属纳米颗粒的纳米流体导热系数明显较大。Murshed等[16]测量了添加不同形状纳米颗粒（颗粒直径为15nm的球形颗粒和10nm＊40nm的棒状颗粒）的TiO2-水纳米流体的导热系数，测量结果表明，向基液中添加等量的颗粒时，悬浮有棒状颗粒时纳米流体的导热系数比添加球形颗粒时纳米流体导热系数大。Xie等[17]研究了悬浮有颗粒为26nm的球形SiC颗粒和600nm圆柱形SiC颗粒的纳米流体导热系数，结果表明向基液中添加非球形颗粒后流体的导热系数比添加球形颗粒时的导热系数大得多。向纯液体中添加韩迷颗粒提高导热系数的原因除了由于纳米颗粒改变了基础液体结果外，颗粒在液体中的无规则运动也是改善纳米流体内部能量传输能力的重要因素，纳米流体的温度变化对纳米流体颗粒微运动是强弱程度同样存在较大影响，当温度升高时，液体分子热振动加强，纳米颗粒受周围液体分子的撞击作用加强，能量传输频率与强度增大，使得纳米流体导热系数增大。Li和Xuan[18]研究了颗粒粒径为20nm的Al-机油、Al-水、Cu-水纳米流体以及颗粒直径分别为100nm、26nm的Cu-水、Cu-乙二醇纳米流体的粘度，结果显示，向纯流体中添加纳米颗粒，导致粘度增大。Jang等人[19]通过对Al2O3-水纳米流体粘度的理论研究发现，纳米流体的粘度值随纳米颗粒粒径的减小呈非线性增大趋势。ShirvanK M[20]研究含铜水纳米流体的余弦波状方形腔内波状表面特性对自然对流换热的影响。首先用有限体积法对二维控制方程进行离散，然后用简单算法求解。为了实现波腔内的最大传热，采用响应面法对纳米颗粒不同的波振幅、波波长和体积分数进行了优化。SheikholeslamiM[21]采用晶格玻尔兹曼方法研究了磁场对二维水平环空中氧化铝水纳米流体自然对流换热的影响。在该模型中，还考虑了布朗运动对有效导热系数的影响。KefayatiG H R[22]采用有限差分格尔兹曼方法(FDLBM)分析了非牛顿纳米流体在多孔方形腔内层流自然对流的传热和熵产生。多孔腔内充满了水和铜纳米粒子，而混合物表现出剪切减薄行为。
综上所述，国内外的知名学者对纳米流体作了充分研究，近些年来取得了许多令传热领域瞩目的研究成果，并且已在一些实验和理论方面取得了稳定且成熟的结论，其中就有关有效导热系数模型展开的工作，更是得到了从理论研究模拟到实验测量的全方面的提高，然而怎样更加贴近实际工程应用，考虑布朗运动影响时纳米流体具体传热的情况，还需要更近一步的理论研究和实验研究。但对于封闭腔体内，平面二维以及立体三维腔体内纳米流体的自然对流换热规律的实验研究和理论分析方面，日前还处于初始研究阶段。因此，基于计算机模拟软件，对纳米流体自然对流流动换热特性的研究，可为纳米流体在工程以及实验研究中的自然对流换热情况奠定基础。{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}| 2、研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 2．1研究内容 本文分析国内外对纳米流体及其相关内容的研究现状，对纳米流体的特性做出归纳，基于COMSOLMultiphysics软件，完成对纳米流体自然对流的数值模型建立。分析在高温高压情况下纳米流体自然对流的流动和传热特性。整理分析结果，提出增强其流动特性和传热特性的方案。 2．2研究目标 与传统流体介质相比，由于纳米颗粒的无规则热运动，纳米流体具有更好的导热能力和热容量，与传统的固-液两相混合物相比，由于纳米流体的超小尺寸效应，纳米流体的行为与液体很相似，同时具有固-液两相流体的一些共有特性。通过查找并翻译中外文文献了解纳米流体的应用，研究纳米流体的优缺点。学习COMSOLMultiphysics软件建立纳米流体模型，通过对纳米流体自然对流换热下高温高压下进行建模仿真研究，学习及深化相关理论知识和学会软件的使用，并对仿真结果进行分析讨论，提出优化方案。 2．3技术方案及措施 （1）搜集并研究纳米流体自然对流换热相关文献。 （2）对纳米流体的特性做出整理。 （3）完成对纳米流体自然对流数值模型建立。 （4）学习COMSOL Multiphysics软件，搜集型线相关参数。 （5）定量分析高温高压下纳米流体自然对流的流动和传热特性的影响规律。 （6）分析并总结影响纳米流体特性的有关方面。 |
| 4、参考文献 [1] Choi SUS.Enhancing ThermalConductivity of Fluids with Nanoparticles//Singer DA,Wang HP[J].Developmentand Application of Non-newtonian Flows,New York:ASME,1995:99-103. [2] Choi SUS.Nanofluids:From Vision to Reality ThroughResearch[J].ASME Journal of Heat Transfer,2009,131(3):033106-033114. [3]张立德.超微粉体制备与应用技术[M].北京：中国石化出版社,2001. [4]张立德，牟其美.纳米材料与纳米结构[M].北京：科学出版社,2001. [5]张志琨，崔作林.纳米技术与纳米材料[M].北京：国防工业出版社，2000. [6] 杨卫卫，何雅玲，徐超，等.二维方腔非稳态自然对流数值模拟研究[J].工程热物理学报，2004，25（2）：281-283. [7] 苏立功，李晓兵，孟曦.倾斜方腔内纳米流体自然流体的数值研究[J].制冷与空调，2012,26（6）:627-631. [8] 李新芳，朱东生.封闭腔体内纳米流体强化自然对流换热的数值模拟[J].制冷技术，2009,37（1）：67-72 [9] Rezaiguia I,Kadja M,MebroukR,et al.Numerical Computation of Natural Convection in an IsoscelesTriangular Cavity with a Partially Active Base and Filled with a Cu-waterNanofluid[J].Heat Mass Transfer,2013,49(9):1319-1331. [10] Saleh H, Roslan R, HashimI. Natural Convection Heat Transfer in a Nanofluid-filled TrapezoidalEnclosure[J]. International Journal of Heat and MassTransfer,2011,54(1-3):194-201. [11]Aminossadati SM, Ghasemi B.Natural Convection Cooling of a Localised Heat Source at the Bottom of aNanofluid-filled Enclosure[J].European Journal of MechanicsB:Fluids,2009,28(5):630-640. [12] Al-Zamily AMJ.Effect ofMagnetic Field on Natural Convection in a Nanoluid-Filled Semi-circularEnclosure with Heat Flux Source[J].Computers and Fluids,2014,103:71-85. [13] Lee S,Choi SUS,LiS.Measuring Thermal Conductivity of Fluids Containing OxideNanoparticles[J].Journal of Heat transfer,1999,121(2):280-289. [14] Wang X,Xu XF,Choi SUS.ThermalConductivity of Nanoparticle-fluid Mixture[J].Journal of Thermophysics andHeat Transfer,1999,13(4):474-480. [15] 李强. 纳米流体强化传热机理研究[D]. 南京：南京理工大学,2003. [16] Murshed SMS,Leong KC,YangC.Enhanced Thermal Conductivity of TiO2-water Based Nanofluids[J].InternationalJournal of Thermal Science,2005,44(4);367-373. [17] Xie H,Wang J,Xi T.ThermalConductivity of Suspensions Containing Nanosized SiCParticles[J].International Journal of Thermophyysics,2002,23(2):571-580. [18] Li Q,Xuan YM.ExperimentalInvestigation on Transport Properties of Nanofluids//Wang B X.Heat TransferScience and Technology 2000[M].Beijing:Higher Education Press,2000:757-762. [19] Jang SP,Lee JH,HwangKS.Particle Concentration and Tube Size Dependence of Viscosities of Al2O3-waterNanofluids Flowing Through Micro-and Minitubes[J].Applied PhysicsLetters,2007,91(24):243112-243114.[20] Shirvan K M,Ellahi R, Mamourian M, et al. Effects of wavy surface characteristics onnatural convection heat transfer in a cosine corrugated square cavity filledwith nanofluid[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017,107: 1110-1118 [21] Sheikholeslami M,Gorji-Bandpy M, Vajravelu K. Lattice Boltzmann simulation ofmagnetohydrodynamic natural convection heat transfer of Al2O3–water nanofluidin a horizontal cylindrical enclosure with an inner triangular cylinder[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 80: 16-25. [22] KefayatiG H R. Heat transfer and entropy generation of natural convection onnon-Newtonian nanofluids in a porous cavity[J]. Powder technology, 2016, 299:127-149. |
在人类社会中，能源标志着社会的发展，目前人类赖以生存的能源如水利能、风能、热能等都与人类的生活密切相关，而热能在人类生活中占有重要地位，如饮食、卫生、环境、工业等都离不开热能。在当今资源紧缺的时代，为了人类社会可持续发展和环境的改善，如何有效利用热能也是科学研究的重要话题之一。热能的高效利用与传热效率有着直接的关系，所以传热现象以及如何改善传热效率有着重要的研究价值。
由于现代技术的发展出现了纳米级金属和金属氧化物颗粒，因金属材料具有较好的导热能力，将微量金属及金属氧化物纳米颗粒添加到传统基液中，稳定扩散形成的纳米颗粒悬浮液比传统流体具有更好的导热能力，可提高热力系统换热效率。1995年由美国Argone国家实验室Choi[1]提出新概念：纳米流体。纳米体系和纳米科学技术概念的出现为人类认识自然现象、利用自然规律、推进科学技术发展和社会进步开辟了一条前所未有的、崭新的道路。作为一门新兴学科，纳米科学与技术研究吸引众多科学家及工程师对纳米流体进行了研究，取得了重大突破，如对纳米流体热物理热性、导热机制、纳米流体种类以及新型制冷剂的研究等，纳米科技日益受到关注和重视[2]。
纳米流体因纳米颗粒与纳米颗粒。纳米颗粒与液体之间存在的范德华耳引力、静电排斥力、浮升力、相间阻力以及布朗力等作用力，破坏了流动层，加强了流动的湍流程度，降低了换热热阻，从而增强换热；与毫米或微米级颗粒相比，同样体积分数下，纳米颗粒表面积更大，因而纳米流体导热系数较毫米或微米颗粒悬浮液大，纳米颗粒所具备的小尺寸效应，表面效应等均体现了微米级颗粒所不具有的特有属性[3-5]；因为纳米颗粒尺寸较小以及自身强烈的布朗运动，纳米颗粒具有更好的悬浮稳定性，不易沉降。
如今已经有许多科研人员针对不同形状腔体内纳米颗粒悬浮液的自然对流换热特性进行了研究，有学者运用了与杨卫卫等[6]同样的物理模型以及边界条件来研究纳米流体自然对流换热特性，也有学者研究如方形[7,8]，三角形[9]，梯形[10]等不同流体腔体内纳米流体自然对流换热；不同的热边界条件被用于研究腔体内纳米流体的自然对流换热，如恒壁温，恒定热流量[11]，添加磁场等[12]。
纳米流体比纯流体具备更优良的传热能力是因为悬浮在纯流体中的纳米颗粒明显改善了基液的导热能力，其液中纳米颗粒含量提高使得纳米流体的导热系数也相应增大，同时导热系数的变化程度也因纳米流体种类不同而存在差异。Lee等[13]和wang等[14]分别通过实验测试了向水中添加粒径分别为38nm和28nm的Al2O3纳米颗粒后纳米流体的导热系数，结果显示，纳米颗粒粒径尺寸较小时，得到的纳米流体导热系数较高；同时Lee等[13]和wang[14]等分别测量了添加纳米颗粒粒径为24nm和23nm、颗粒体积分数在1%~3.6%和4.4%~9.8%的CuO-水纳米流体的导热系数，以及纳米颗粒粒径为24nm和23nm、颗粒体积分数范围为1%~4%和6%~15%的CuO-乙二醇纳米流体的导热系数，结果显示，尽管测量的纳米流体中纳米颗粒的体积份额不同，单对于同一种类的纳米流体，当纳米颗粒体积分数提高时其导热系数几何呈等斜率增大，和李强[15]向乙二醇中添加颗粒尺寸为26nm的Cu纳米颗粒的纳米流体实验结果相比，添加同样数量的纳米颗粒时，根据两种纳米流体的导热系数显示，悬浮有金属纳米颗粒的纳米流体导热系数明显较大。Murshed等[16]测量了添加不同形状纳米颗粒（颗粒直径为15nm的球形颗粒和10nm＊40nm的棒状颗粒）的TiO2-水纳米流体的导热系数，测量结果表明，向基液中添加等量的颗粒时，悬浮有棒状颗粒时纳米流体的导热系数比添加球形颗粒时纳米流体导热系数大。Xie等[17]研究了悬浮有颗粒为26nm的球形SiC颗粒和600nm圆柱形SiC颗粒的纳米流体导热系数，结果表明向基液中添加非球形颗粒后流体的导热系数比添加球形颗粒时的导热系数大得多。向纯液体中添加韩迷颗粒提高导热系数的原因除了由于纳米颗粒改变了基础液体结果外，颗粒在液体中的无规则运动也是改善纳米流体内部能量传输能力的重要因素，纳米流体的温度变化对纳米流体颗粒微运动是强弱程度同样存在较大影响，当温度升高时，液体分子热振动加强，纳米颗粒受周围液体分子的撞击作用加强，能量传输频率与强度增大，使得纳米流体导热系数增大。Li和Xuan[18]研究了颗粒粒径为20nm的Al-机油、Al-水、Cu-水纳米流体以及颗粒直径分别为100nm、26nm的Cu-水、Cu-乙二醇纳米流体的粘度，结果显示，向纯流体中添加纳米颗粒，导致粘度增大。Jang等人[19]通过对Al2O3-水纳米流体粘度的理论研究发现，纳米流体的粘度值随纳米颗粒粒径的减小呈非线性增大趋势。ShirvanK M[20]研究含铜水纳米流体的余弦波状方形腔内波状表面特性对自然对流换热的影响。首先用有限体积法对二维控制方程进行离散，然后用简单算法求解。为了实现波腔内的最大传热，采用响应面法对纳米颗粒不同的波振幅、波波长和体积分数进行了优化。SheikholeslamiM[21]采用晶格玻尔兹曼方法研究了磁场对二维水平环空中氧化铝水纳米流体自然对流换热的影响。在该模型中，还考虑了布朗运动对有效导热系数的影响。KefayatiG H R[22]采用有限差分格尔兹曼方法(FDLBM)分析了非牛顿纳米流体在多孔方形腔内层流自然对流的传热和熵产生。多孔腔内充满了水和铜纳米粒子，而混合物表现出剪切减薄行为。
