强迫循环条件下纳米流体强化临界热流密度机制研究

As a new class and prosperous working fluids for heat transfer enhancement,nanofluid will lead a promising future when used in many high heat flux system such as nuclear power systems and electronic devices cooling systems. By using the basic theories of colloid chemsitry,molecule dynamics,fluid dynamics and heat transfer,the migration of nanoparticle in the base fluid, effects of nanoparticle on the boundary layer and flow boiling pattern in forced convection condition will be described, and the flow boiling models of three phases including nanoparticle will be developed in the present study. The developed models will be solved by the moving particle semi-implicit method(MPS)to simulate the bubbles generation, growth,detachment and coalescence in the flow boiling condition.The occuring of CHF in flow boiling is also to be predicted. Considering the special conditions and requirements in the nuclear power system,suitable water-base nanofluids will be carefully selected and prepared,the flow boiling heat transfer of the selected nanofluid with different concentration will be experimentally studied in both vertical and horizontal channels which are elaborately designed,respectively,to understand the relationship between CHF of flow boiling with its influencing factors. Comparing the numerical and experimental results of nanofluid with those of pure water, the inherent mechanism of critical heat transfer flux enhancement by nanofluids is to be investigated.The feasibility and relevant strategies for nanofluids applied in nuclear power systems under severe accident condition will be studied as well.

纳米流体作为新型强化换热介质，在诸如核动力系统、电子元器件冷却等高热流密度换热系统中具有广阔的应用前景。本项目利用胶体化学、分子动力学、流体力学、传热学基本理论，探索纳米颗粒在流体中的迁移、对流动边界层及流动沸腾流型的影响；建立考虑纳米颗粒的汽液固三相流动沸腾换热模型；并采用移动粒子半隐式法(MPS)对水性纳米流体强迫循环条件下流动沸腾过程中气泡的生成、脱离和融合进行数值模拟，预测流动沸腾条件下临界热流密度（CHF）的发生规律。根据核动力系统严重事故工况下的特殊环境及要求，筛选适宜的纳米流体，精心设计实验段；对不同体积份额的水性纳米流体分别进行垂直和水平通道内的流动沸腾换热实验，进一步掌握纳米流体流动沸腾CHF值与其影响因素之间的关系。将数值模拟、实验结果与相同工况下纯水的数据进行对比，揭示纳米流体强化CHF的根本机制，研究其用于核动力系统严重事故工况下的可行性和相关策略。

按照申请书的研究内容和目标，通过实验和理论分别研究了纳米流体强迫对流换热、流动沸腾换热以及CHF相关特性及机理。在实验研究中，搭建了实验回路，自行配置纳米流体，利用控制变量法分别开展了多种纳米流体强迫对流换热、流动沸腾换热以及流动沸腾CHF的实验研究，通过扫描式电子显微镜和投射式电子显微镜分别观测了沸腾过程前后实验段内表面上纳米颗粒的沉积情况以及实验前后纳米颗粒的形态和大小的变化。发现沸腾过程会导致纳米颗粒在加热面上沉积，纳米颗粒形态、尺寸在实验过程中没有显著变化；纳米颗粒的极性对换热有一定的影响，极性强的颗粒产生较大的静电力，颗粒间碰撞及微观运动更剧烈，换热也更强；基于纳米流体流动沸腾实验结果提出了一个描述影响流动沸腾换热的无量纲量，它可以统一地描述纳米流体沸腾换热增强与削弱的条件；基于实验结果整理出了纳米强迫对流换热、流动沸腾换热及流体流动沸腾CHF的关系式。在理论研究中，建立了纳米颗粒微观作用力相关模型，通过数值模拟研究了纳米颗粒在温差和速度梯度作用下的分布和迁移特性，以探索纳米颗粒增强对流换热的机制；通过建立气泡相界面力平衡模型以及传热传质模型，分别研究了加热面朝上和加热面朝下时纳米流体流动沸腾的气泡行为，包括气泡的生长、滑移、脱离等，从理论上论证了纳米流体能有效提高核动力系统IVR能力的潜力；基于微液层蒸干理论，推导了纳米颗粒沉积层吸附力模型以及汽块轴向和径向力平衡方程，通过求解微液层厚度研究了纳米流体流动沸腾CHF的影响机制，从理论上探索了纳米流体CHF增强的机理。.本课题在纳米流体强化换热机制探索方面做了新的尝试，也为纳米流体的工程应用提供了理论指导和经验。在课题进行中，项目负责人赴南洋理工大学（Nanyang Technological University）进行了访学和交流，也多次邀请国外学者进行讲学交流。项目组成员多人次参加了国际、国内会议并作报告，研究成果与国内外专家进行了广泛的交流。.本课题已经培养毕业了两名硕士，一名博士生，发表了期刊论文11篇，其中SCI论文8篇，期刊和会议EI论文15篇，其他会议论文8篇。1篇SCI论文入选为ESI论文，该论文还获2013年度期刊最佳论文。还有论文正在撰写中。